Characterization of the Cathode Behavior Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit den experimentellen und analytischen

Untersuchungen an der Kathode einer auf Polybenzimidazol (PBI) und Phosphorsäure

basierten Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (HT-PEM-BZ). Die

Charakterisierung der Reaktionszonen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche der Kathode

wurde mittels chronoamperometrischer Messungen vorgenommen. Der transiente

Zellstromverlauf bei einer Veränderung der Zellspannung wurde anhand von Cottrellschen

Gleichungen aufgezeichnet und analysiert. Die Cottrellschen Darstellungen zweier

modifizierter Kathoden zeigen eine Trennung der Zweiphasen- und Dreiphasenreaktionszone.

Cottrellsches Verhalten einer durchschnittlichen, kommerziellen Kathode kann als eine

Kombination der modifizierten Kathoden aufgefasst werden. Weitere Analysen zeigen die

Möglichkeit auf, die für die Reaktion verfügbare Katalysatoroberfläche zu quantifizieren, und

dass sich ein dünner Elektrolytfilm auf den Katalysatoroberflächen bildet.

Die Entdeckung des Auftretens einer Zellstromhysterese durch Temperaturänderung wird

vorgestellt. Der Zellstromverlust nach einem Temperaturzyklus wird durch eine

Zellspannungserhöhung auf Leerlaufspannung wiederhergestellt. Frühere Untersuchungen

zeigen, dass möglicherweise der Transport des erzeugten Wassers für den temporären

Zellstromverlust verantwortlich ist. Die Erholung des Zellstroms verläuft proportional zu dem

Betrag des Zellspannungsanstiegs. Auf der Basis der anfänglichen Untersuchungen und einer

intensiven Literaturrecherche wird eine Hypothese zu dem beobachteten Phänomen

aufgestellt. Der Effekt wird den Wechselwirkungen der auf der Platinkatalysatoroberfläche

adsorbierten Spezies zugeschrieben. Ein auf dem Monte-Carlo-Verfahren basierendes Modell

wurde dazu verwendet, die Temperaturabhängigkeit der adsorbierten Phosphorsäure zu

beschreiben. Das Modell wird auf Grundlage des Alterungsprozesses des Katalysators, der zu

einem Platinpartikelwachstum führt, validiert. Die Ergebnisse der Simulation stimmen

qualitativ mit den experimentellen Messungen überein und können daher teilweise den in der

Hypothese beschriebenen Mechanismus des Zellstromverlustes beweisen.