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.