Degradation von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen unter Potentialzyklisierung

Abstract

In dieser Bachelorarbeit wurden HT-PEM-Brennstoffzellen von zwei unterschiedlichen Herstellern auf das Degradationsverhalten des Katalysators sowie der Elektrolytmembran untersucht. Als beschleunigter Alterungstest zur Auslösung der Degradation wurde die Zyklisierung des Potentials zwischen 0.6 und 1.0 V gewählt. Es wurden elektrochemische Charakterisierungen vorgenommen, um die Degradation der MEAs und deren Leistungsabnahme zu analysieren. Außerdem wurden die bildgebenden Verfahren TEM und REM zur Analyse des Degradationsverhaltens durchgeführt. Überdies wurden Produktwässer mittels ICP-MS, sowie Titration analysiert um Platin- und Phosphoraustragungen festzustellen. Es wurden jeweils 3 MEAs jeden Herstellers gemessen, sowie eine weitere MEA, welche nur die Hälfte der Potentialzyklen durchlief. Für alle HT-PEMFC konnte nach der einwöchigen Testprozedur eine Leistungsabnahme sowie starke Degradation des Katalysators festgestellt werden. Die Leistungsdichte nahm in der ersten Hälfte des Tests stärker ab als in der zweiten Hälfte. Mithilfe der ICP-MS konnte gezeigt werden, dass Phosphorsäure ausgetragen wurde und dadurch messbare, wenn auch geringe Elektrolytmembrandegradation zu erwarten ist. Außerdem kam es bei beiden MEA-Herstellern zu Platinaustragung, da Platin im Produktwasser zu finden war. Die Untersuchung mittels LSV bestätigt die Annahme, dass die Membraneigenschaften nur gering beeinflusst wurden. Es konnte kein wesentlicher Wasserstoffübertritt festgestellt werden, aber die Elektronenleitungen zeigten eine Änderung. Der Ohm‘sche Widerstand blieb während der Potentialzyklisierung ebenfalls annähernd konstant. Die starke Abnahme der elektrochemischen Oberfläche von mindestens 50 %, sowie die starke Platinpartikeldurchmesservergrößerung, ermittelt durch TEM-Aufnahmen, weisen den Degradationsmechanismus von Platinagglomeration nach. Abschließend lässt sich zusammenfassen, dass die Potentialzyklisierung eine geeignete Methodik zur Degradationsuntersuchung des Katalysators ist.