Characterization of high temperature polymer electrolyte fuel cells

Rahim, Yasser; Lehnert, Werner; Singheiser, Lorenz

doi:10.18154/RWTH-2018-229149

Characterization of high temperature polymer electrolyte fuel cells = Charakterisierung von Hochtemperatur- Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen

Rahim, Yasser^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeYasser Rahim

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (iii, 162 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/Energy & environment ; 437

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Lehnert, Werner (Thesis advisor)^RWTH* ; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229149
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/745928/files/745928.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/745928/files/745928.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Modellierung in der elektrochemischen Verfahrenstechnik (FZ Jülich) (420520)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Accelerated degradation (frei) ; Analytical modelling (frei) ; Design of experiments (frei) ; Electrochemical impedance spectrocopy (frei) ; Polymer electrolyte fuel cells Characterization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine Brennstoffzelle ist ein sauberer und effizienter Energiewandler. Die Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC) ist ein spezieller Typ Brennstoffzelle, der Brennstoffflexibilität und einen einfachen Systemaufbau bietet. Sie wird als eine praktikable Lösung für den Übergang von einer auf fossilen Brennstoffen basierenden Wirtschaft zu einer nachhaltigen, auf erneuerbaren Energien basierenden Wirtschaft angesehen, da sie in Kraft-Wärme-Kopplung, Transport- und Notstromanwendungen, in denen fossile Brennstoffe weiterhin eine bedeutende Rolle spielen, effizient genutzt werden kann. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung von Methoden und Strategien zur Quantifizierung leistungsbezogener elektrochemische Parameter in HT-PEFC Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) auf Einzelzellebene. Zu diesem Zweck werden sowohl kommerzielle als auch intern hergestellte MEAs verwendet. Die selbst assemblierten MEAs werden zur Charakterisierung der wichtigsten Materialparameter für die HT-PEFC MEAs wie die Platin- (Pt) Beladung, die Kathodenkatalysatorschichtdicke und der Phosphorsäure-Dotierungsgrad der MEA verwendet. In einer Studie werden die Parameter systematisch variiert und die Kombination ermittelt, die insgesamt zu einem Leistungsmaximum im untersuchten Bereich führt. Eine MEA mit diesen optimalen Parametereinstellungen wird verwendet, um die Wirkung des Wasserstoff- und Sauerstoffgehalts in den Anoden- und Kathodenströmen auf die Zellimpedanz zu untersuchen. Die kommerziellen MEAs werden verwendet, um die Auswirkung verschiedener Betriebsbedingungen auf die Brennstoffzellenleistung zu untersuchen. Die Statistische Versuchsplanung wird verwendet und Regressionsmodelle für jede der MEAs werden für einen Vergleich der Auswirkung der Stichprobengröße auf die Genauigkeit der Regressionsmodelle entwickelt. Es wird festgestellt, dass eine kleine Stichprobengröße für ein anfängliches Screening-Design ausreichend genau ist, was den experimentellen Aufwand auf ein Sechstel reduzieren kann und somit wertvolle Ressourcen spart. Eine Studie zur beschleunigten Alterung wird an zwei verschiedenen kommerziellen MEAs durchgeführt, um die dominanten Alterungsmechanismen für die HT-PEFC MEA zu untersuchen. Beide MEAs werden verschiedenen Stressfaktoren über 100 Stunden ausgesetzt. Polarisationskurven, Impedanzdaten und Daten aus der Zyklischen Voltammetrie vor und nach der Stressphase werden miteinander verglichen und analysiert. Thermische Zyklisierung, Hochtemperaturbetrieb und hohe Kathodenstöchiometrie werden als die effektivsten Stressfaktoren im Zusammenhang mit Phosphorsäureverlust, Verlust der Platinoberfläche und Kohlenstoffkorrosion als Alterungsmechanismen bestimmt.

A Fuel cell is a clean and efficient energy converting device. High temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEFC) is a particular type of fuel cell which offers fuel flexibility and system level simplicity. It is considered to be a viable solution for the transition period from a fossil fuel based economy to a sustainable, renewable energy based economy due to its potential to be efficiently utilized in combined heating and power, transport and backup power applications where fossil fuels continue to play a significant role. This thesis concentrates on development of methods and strategies to quantify performance related electrochemical parameters in HT-PEFC membrane electrode assemblies (MEA) at the single cell level. Both commercial and in-house assembled MEAs are utilized for this purpose. The in-house assembled MEAs are used for characterizing the most important material parameters for the HT-PEFC MEAs such as the platinum (Pt) loading, cathode catalyst layer (CCL) thickness and the phosphoric acid doping level (PADL) of the MEA. The parameter settings for maximum cell performance are systematically determined. An MEA with these parameters is used for investigating the effect of hydrogen and oxygen content in the anode and cathode streams respectively on cell impedance. The commercial MEAs are used to study the effect of various operating conditions on fuel cell performance. The design of experiments (DoE) is utilized to analyze the effect of various operating conditions on four different MEAs and regression models for each of the MEAs are developed for a comparison of the effect of sample size on the accuracy of the regression models. It is determined that a small sample size is accurate enough for an initial screening design, which can reduce the experimental effort by one-sixth, thus saving valuable time and resources. An accelerated degradation study is conducted on two different commercial MEAs to study the dominant degradation mechanisms for the HT-PEFC MEA. Various stressors are used for both MEA types for 100 hours. Polarization curves, EIS data and cyclic voltammetry data before and after stressor operation are compared and analyzed. Thermal cycling, high temperature operation and high cathode stoichiometry are determined to be the most effective stressors related to loss of phosphoric acid, loss of platinum surface area and carbon corrosion as the degradation mechanisms.

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