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Investigation of dominant loss mechanisms in low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells

Investigation of dominant loss mechanisms in low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells

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Prüfsumme: MD5:bf24fc4bc0a28a97ff8b745cec518de6

GERTEISEN, Dietmar, 2009. Investigation of dominant loss mechanisms in low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells

@phdthesis{Gerteisen2009Inves-5084, title={Investigation of dominant loss mechanisms in low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells}, year={2009}, author={Gerteisen, Dietmar}, address={Konstanz}, school={Universität Konstanz} }

deposit-license Gerteisen, Dietmar Untersuchung dominierender Verlustmechanismen in der Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle 2011-03-24T14:53:01Z eng Gerteisen, Dietmar 2011-03-24T14:53:01Z Diese Arbeit befasst sich mit der Analyse der dominierenden Verlustmechanismen in der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) und der mit Wasserstoff betriebenen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEFC) mittels experimenteller Charakterisierung und mathematischer Modellierung.<br />Alle in dieser Arbeit verwendeten in-situ Charakterisierungstechniken basieren auf einer neuartigen Testzelle mit integrierten Referenzelektroden. Es wird ein neues Konzept zur Umsetzung einer Referenzelektrodenanordnung in der Brennstoffzelle mittels Laserablation vorgestellt. Ein Laserstrahl wird zur Verdampfung einer Aussparung der Elektrodenfläche auf der Membranelektrodeneinheit (MEA) genutzt, um die somit entstehende Referenzelektrode von der Arbeits-/Gegenelektrode ohne deren gegenseitigen Versatz (Elektroden-Misalignment) zu isolieren.<br />Es wurde eine Testzelle entwickelt, welche zusammen mit der ablatierten MEA die Separierung der Gesamtzellverluste in Kathoden-, Anoden- und Membranüberspannung sowohl in PEFCs als auch DMFCs ermöglicht.<br />Die Minderung des Kathodenpotentials in der DMFC aufgrund von Mischpotentialbildung infolge von Methanolcrossover kann durch die Verwendung eines selektiven Kathodenkatalysators für die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) verhindert werden. Die Methanoltoleranz eines mit Selen modifizierten Ruthenium-basierten Katalysators (RuSex), wurde mithilfe von Polarisationskurvenmessung, elektrochemischer Impedanzspektroskopie und Stromabschaltmessungen (CI) unter Brennstoffzellenbedingungen untersucht. Die ORR-Selektivität des RuSex-Katalysators konnte indirekt über CI-Messungen nachgewiesen werden, doch zeigt RuSex eindeutig eine geringere katalytische Aktivität als ein Standard Platinkatalysator. Mit Hilfe der Referenzelektrodenkonfiguration konnte ein Unterschwingverhalten der Relaxationskurve der Anodenpolarisation bei CI-Messungen beobachtet werden. Zur Interpretation dieses Phänomens wurde ein eindimensionales, zeitabhängiges DMFC-Modell mit detailliertem Reaktionsmechanismus entwickelt. Im Modell wurde angenommen, dass Sauerstoff durch die Membran permeieren kann, was eine parasitäre ORR auf der Anode zur Folge hat. Die Simulationen zeigen, dass die komplexe Kopplung zwischen dem bifunktionalen Mechanismus der Methanoloxidation, der Oberflächenbedeckung von Platin durch Kohlenstoffmonoxid und der parasitären ORR für den zeitlichen Verlauf des Anodenpotentials nach CI verantwortlich ist und dass die geringe Offenklemmenspannung einer DMFC großteils aus der hohen Anodenüberspannung resultieren und nicht von dem verminderten Kathodenpotential.<br />Um einen tieferen Einblick in den komplexen Wasserhaushalt einer PEFCs zu geben, wurde die Methode der inversen Modellierung angewandt. Es wurde ein eindimensionales, mehrphasiges, dynamisches PEFC-Modell entwickelt, welches räumlich die Gasdiffusionsschicht, Kathodenkatalysatorschicht und die Membran beschreibt. Um den Effekt der Ionomeraustrocknung als auch der Flutung poröser Medien zu erfassen, wurde das Wasser in drei Phasen modelliert: dampfförmig, flüssig und im Ionomer gelöst. Das Modell ist bei unterschiedlichen Feuchtebedingungen an dynamischen Strom-Spannungskennlinien validiert, welche alle ein ausgeprägtes Hystereseverhalten im Bereich der Massentransportlimitierung zeigen. Das zeitliche Verhalten des Sättigungsprofils zeigt deutlich einen unzureichenden Austrag von flüssigem Wasser, was zu Porenflutung und somit zu einer Sauerstofftransportlimitierung im Bereich großer Stromdichten führt. Simulierte Stromantworten auf Spannungssprünge (Chronoamperometrie) wurden mit Messdaten verglichen und analysiert.<br />Zur Verbesserung des Wassertransports in flüssiger Phase wird in dieser Arbeit eine maßgeschneiderte GDL vorgestellt, welche den flüssigen Wassertransport von den Elektroden zum Gaskanal verbessert, und somit veringerte Massentransportverluste für Sauerstoff durch die porösen Medien aufweist. Die GDL wurde per Laserperforation im Hinblick auf die Gasverteilerstruktur systematisch modifiziert. Das Verhalten der Zellleistung mit der eingebauten laserbehandelten GDL wurde in der Testzelle mit Referenzelektrodenanordnung mittels Voltammetrie und Chronoamperometrie bei unterschiedlichen Einlassgasfeuchten untersucht und mit Daten von Messungen mit einer nicht-modifizierten GDL verglichen. In allen Fällen kann aus den Kathodenüberspannungen auf eine verringerte Porenflutung zurückgeschlossen werden, was zu erhöhten Grenzstromdichten führt. Stromantworten von chronoamperometrischen Messungen zeigen eine Verbesserung der Dynamik und Leistungsdichte der mit perforierter GDL bestückten Zelle.<br />Die Laserperforationstechnik von GDLs wurde von einer Einzelzelle auf einen Brennstoffzellenstack für portable Anwendungen übertragen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen auch hier anhand einer erhöhten Leistungsdichte und Stabilität des Stacks bei mittlerer und hoher Stromdichte einen verbesserten Wassertransport in den perforierten GDLs. Investigation of dominant loss mechanisms in low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells 2009 application/pdf

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Dissertation_Investigation_of_dominant_loss_mechanisms_Gerteisen_2009.pdf 141

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