Brennstoffzellen Teil 3 – Charakterisierung mittels EIS

Zusammenfassung

In der vorangegangenen Application Note wurde gezeigt, dass Brennstoffzellen vielversprechende Energiequellen sind, da sie eine hocheffiziente und umweltfreundliche Lösung für alternative Energien bieten. In den letzten Jahren wurden umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, um ein besseres Verständnis der Faktoren zu erlangen, die die Leistung einer Brennstoffzelle beeinflussen.

In dieser Application Note wird die Verwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) zur Charakterisierung von PEM-Brennstoffzellen demonstriert. Es wird gezeigt, dass die EIS ein leistungsstarkes Diagnosetool ist, für die Bestimmung der folgenden Faktoren, die die Leistung einer PEM-Brennstoffzelle beeinflussen können:

Zusammensetzung und Struktur der Elektrode
Membraneigenschaften
Betriebsparameter wie Zelltemperatur, Befeuchtung, Gaszusammensetzung und Druck

Der Hauptvorteil der EIS als Diagnosetool besteht in seiner Möglichkeit, in der Frequenzdomäne die einzelnen Beiträge der verschiedenen Faktoren aufzulösen, welche die Gesamtleistungsverluste der PEM-Brennstoffzelle bestimmen:

Kinetisch
Ohmsche
Massentransport bedingte

Versuchsergebnisse

In Abbildung 1 werden die Ergebnisse des EIS-Experiments mit H2 an der Kathode mit denen mit O2 und Luft an der Kathode verglichen.

Wenn sich nur Wasserstoff sowohl an der Anoden- als auch an der Kathodenseite der Elektrode befindet, findet an der Kathode keine Reduktionsreaktion statt, und man misst lediglich die ohmschen Verluste an der Membran. Wenn der Wasserstoff an der Kathode durch Sauerstoff ersetzt wird, kommt es zu einer Reduktion des Sauerstoffs an der Kathode. Somit kann der Ladungstransferwiderstand der Reduktionsreaktion gemessen werden. Wenn Sauerstoff an der Kathode durch Luft ersetzt wird, zeigt sich der Effekt des Massentransports. Der Sauerstoff muss durch den in der Luft vorhandenen Stickstoff diffundieren, um die Kathodenoberfläche zu erreichen. Dies führt zu einem Anstieg des Polarisationswiderstands aufgrund des Diffusionswiderstands, wie in Abbildung 1 gezeigt .

Abbildung 1. Ergebnisse des EIS-Experiments an einer PEM-Brennstoffzelle mit H2, O2 und Luft an der Kathode

In Abbildung 2 ist der Effekt der Vergiftung des Katalysators durch CO zu sehen. Mit dem Einbringen von CO in Luft auf der Anodenseite, steigt der Ladungstransferwiderstand für die Oxidation von Wasserstoff aufgrund der Vergiftung des Katalysators.

Abbildung 2. Ergebnisse der EIS-Experimente an einer PEM-Brennstoffzelle mit Luft und CO an der Anode

Mit dem Einbringen von CO in Luft auf der Anodenseite, erhöht sich der Ladungstransferwiderstand für die Oxidation von Wasserstoff aufgrund der Vergiftung des Katalysators.