Characterization of the Cathode Behavior in a High Temperature 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.