Einsatz der Impedanzspektroskopie in der Brennstoffzellenforschung

Kurzfassung

Da Brennstoffzellen eine umweltfreundliche Energiewandlung bei vergleichsweise sehr hohen Wirkungsgraden ermöglichen, gewinnen sie für zukünftige Energiekonversionssysteme zuneh¬mend an Bedeutung. Für mobile Anwendungen sind aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur insbesondere die Membranbrennstoffzellen (PEFC) geeignet. Jedoch wird ein wirtschaftlicher Einsatz von Brennstoffzellen erst möglich sein, wenn es gelingt, neben der Steigerung der Ener¬gie- und Leistungsdichte auch kostengünstige Herstellungsverfahren für die Zellkompo¬nenten, Brennstoffe und Elektrodenmaterialien (Katalysatoren) zu entwickeln. Zur Charakterisierung von Brennstoffzellen und Zellkomponenten wird eine ganze Reihe von verschiedenen Messverfahren eingesetzt. Neben ex-situ oberflächenanalytischen Charakterisie¬rungsmethoden wie Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Energiedispersive Röntgenspekt¬roskopie (EDX), Porosimetrie, Röntgendiffraktometrie (XRD) Röntgenphotoelektronenspektro¬skopie (XPS) werden noch in-situ elektrochemische Charakterisierungsmethoden eingesetzt. Die einfachste und daher wohl die am häufigsten verwendete elektrochemische Charakterisie¬rungs¬methode ist die Aufnahme einer Strom-Spannungskennlinie (U-i Kennlinie), die durch elektro¬chemische, elektronische und ionische Leitfähigkeiten, sowie bei hohen Stromdichten zunehmend auch von Diffusionstermen bestimmt wird. Eine quantitative und qualitative Tren¬nung dieser Terme ist nicht nur von grundsätzlichem Interesse, sondern kann auch dazu beitra¬gen, die Elektroden-Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) und Zelldesign gezielt zu verbessern. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) ist dafür besonders gut geeignet, da nach Auswertung der über einen weiten Frequenzbereich gemessenen Elektrodenimpedanz bzw. Zellimpedanz mit einem Elektrodenmodell (Ersatzschaltbild) diese Größen simultan und in einem großen Potenzialbereich bzw. Stromdichtebereich bestimmt werden können.