ISBN 9783843930987

978-3-8439-3098-7, Reihe Verfahrenstechnik

Nadia Aoun
Aktivierung, Desaktivierung und Reaktivierung von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen

270 Seiten, Dissertation Technische Universität Clausthal (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) ist ein System zur elektrochemischen Energiewandlung. Hierbei wird Methanol an der Anode (Pt-Ru/C) oxidiert. Die freiwerdenden Elektronen können einen elektrischen Verbraucher versorgen und werden auf der Kathode zur Reduktion von Sauerstoff (Pt/C) verwendet. Eine protonenleitfähige Membran ermöglicht den dazu benötigten Protonentransfer von Anode zu Kathode.

Der zeitliche Verlauf der Leistungsdichte kann in drei Bereiche segmentiert werden: 1. Eine Aktivierung bis eine maximale Leistungsdichte erreicht wird, 2. Alterung (irreversibel und reversibel) und 3. eine Reaktivierung (reversible Alterung), in der temporär die Leistungsdichte wieder angehoben werden kann.

In dieser Arbeit wurden alle drei Bereiche systematisch untersucht. Zu diesem Zwecke wurde neben der Verwendung von ex situ-Methoden eine in situ-Messmethode entwickelt, die die Bestimmung der Halbzellenpotentiale mit Hilfe einer Dynamischen Wasserstoffreferenzelektrode (DHE) erlaubt. Das Einfahrverhalten der DMFC wurde mittels verschiedener Aktivierungs-prozeduren experimentell untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Zelle durch Polarisationszyklen (Strom-Spannungs-Kennlinien) aktiviert werden kann.

Die Alterung der DMFC wurde unter dynamischen Bedingungen (Polarisationskurven) und konstanten Stromdichten untersucht. Die geringste Alterung wurde im ersten Fall erhalten, wobei beide Elektroden gleichermaßen linear alterten. Im Gegensatz dazu alterte die Zelle unter konstanten Stromdichten exponentiell abfallend. Dabei war zu beobachten, dass die Alterung zu einem Großteil der Anode zuzuschreiben ist, wobei das Kathodenpotential annähernd konstant blieb. In beiden Fällen konnte in ex situ-Analysen ein signifikantes Partikelwachstum gekoppelt mit einer Rutheniumauflösung des Anodenkatalysators festgestellt werden.

Geeignete Gegenmaßnahmen bieten Reaktivierungsstrategien. Es wurde sowohl die Last und die Sauerstoffzufuhr für unterschiedliche Zeitintervalle unterbrochen. Eine mögliche Erklärung für die positiven Effekte liegt darin, dass das sogenannte bifunktionale Regime während dieser Zeit ausgebildet wird, welches zu einer temporären Reduktion der Halbzellpotentiale führt. Mithilfe dieser Unterbrechungsmethoden konnte die Alterung der DMFC zwar nicht verhindert, jedoch über die eingestellte Betriebsweise stark unterbunden werden.