Zusammensetzung und Funktionsprinzip einzelner Zellen
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist eine Art Brennstoffzelle, die eine Protonenaustauschmembran als Elektrolyt verwendet. Die Einzelzelle ist die grundlegende Einheit des Brennstoffzellenstapels. Hier sind die Hauptkomponenten und Funktionsprinzipien einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC):
Komponenten:
Bipolare Platte，Protonenaustauschmembran，Gasdiffusionsschicht，Katalysator
Arbeitsprinzip:
Unter Einwirkung des Anodenkatalysators zerfallen Wasserstoffmoleküle in Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻). Die Elektronen (e⁻) fließen durch einen externen Stromkreis und erzeugen dabei einen elektrischen Strom, während die Protonen (H⁺) durch die Protonenaustauschmembran von der Anode zur Kathode wandern. An der Kathode verbinden sich Sauerstoffmoleküle mit Protonen und Elektronen zu Wasser.
Leistungstestmethoden für Einzelzellen
Bei Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) gibt es viele Methoden zur Bewertung der Leistung Katalysatoren, Elektroden, Protonenaustauschmembranen und bipolare PlattenMethoden wie die zyklische Voltammetrie (CV), die Rotationsscheibenelektrode (RDE), die Rotationsringscheibenelektrode (RRDE) und die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) werden häufig zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von Elektrokatalysatoren und anderen Elektrodenmaterialien eingesetzt.
Die Leistungsbewertung einzelner Komponenten (wie Katalysatoren oder Protonenaustauschmembranen) liefert jedoch nur unvollständige Informationen über diese Komponente und spiegelt nicht direkt die Gesamtleistung der Brennstoffzelle wider. Daher ist es notwendig, die genannten Komponenten in einer einzigen Zelle zu kombinieren und Leistungstests unter festgelegten Bedingungen (wie Temperatur, Druck und Gasdurchflussrate) durchzuführen, um den Einfluss dieser Komponenten auf die Gesamtleistung der Zelle zu bestimmen. Im Allgemeinen kann bei Leistungstests der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) die Elektrodenfläche auf 0.5–5 cm² reduziert werden. Dieser Größenbereich ist klein genug für effiziente und schnelle Tests, aber dennoch groß genug, um die tatsächliche Leistung der MEA abzubilden.
Elektrochemische Reaktionen und Elektrodenpotentiale
Die Funktionsweise einer Brennstoffzelle basiert auf Redoxprozessen elektrochemischer Reaktionen. Die Messung des Reaktionsstroms und des Elektrodenpotenzials ist die direkteste und effektivste Methode zur Charakterisierung elektrochemischer Reaktionen. Ausgehend von den Standardelektrodenpotenzialen für Redoxreaktionen deutet eine höhere Überspannung auf eine erhöhte zusätzliche Spannung hin, die für die Reaktion benötigt wird, was üblicherweise einen erhöhten Widerstand bedeutet. In der Zelle äußert sich eine Erhöhung der Überspannung in einer Verringerung der Potenzialdifferenz, dem sogenannten Polarisationsprozess.
Die Stärke des Reaktionsstroms spiegelt die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion wider. Im Allgemeinen gilt: Je höher der Strom, desto schneller die Reaktion; übermäßig hohe Ströme können jedoch zu einer Überhitzung der Elektrode oder zu einer beschleunigten Alterung führen.
Typischerweise sind die Ausgangskennlinie und die Leistung der Zelle von Interesse. Zu den untersuchten Parametern gehören die Zellspannung, die Stromdichte und die Leistungsdichte. Die Leistung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle wird üblicherweise anhand der Stromdichte-Spannungs-Kennlinie (IV-Kennlinie) und der Stromdichte-Leistungsdichte-Kennlinie (IP-Kennlinie) bewertet. Diese Kennlinien liefern detaillierte Informationen über die Zelle unter verschiedenen Betriebsbedingungen. So zeigt die IV-Kennlinie die Betriebsspannung der Zelle bei unterschiedlichen Stromdichten, während die IP-Kennlinie die abgegebene Leistung bei unterschiedlichen Stromdichten darstellt.
Analyse der Zellleistungsparameter
Das theoretische Leerlaufpotenzial einer PEM-Brennstoffzelle beträgt 1.229 V, die tatsächliche Leerlaufspannung (OCV) erreicht diesen Idealwert jedoch üblicherweise nicht und liegt typischerweise zwischen 0.900 V und 1.000 V. Diese Abweichung ist auf verschiedene Faktoren zurückzuführen, wie z. B. Wasserstoff- oder Sauerstoffdurchtritt, Membranverunreinigungen und Elektrodenvergiftung. Geringe Mengen Wasserstoff oder Sauerstoff können durch die Protonenaustauschmembran zur gegenüberliegenden Elektrode diffundieren, wodurch ein Mischpotenzial entsteht und die OCV der Zelle sinkt. Zusätzlich können Verunreinigungen (wie z. B. Kohlenmonoxid) zu Elektrodenvergiftungen führen und die Zellleistung weiter beeinträchtigen.
Durch Messung der Leerlaufspannung (OCV) der Zelle lässt sich der Zustand der Protonenaustauschmembran und der Membranelektrode vorläufig beurteilen. Die OCV ist jedoch nur ein Indikator für den Gesamtzustand der Zelle und muss zusammen mit anderen Einflussfaktoren betrachtet werden. Um die Leistung einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle umfassend zu bewerten, müssen auch die drei Hauptspannungsverluste während des Entladevorgangs berücksichtigt werden: Aktivierungspolarisation, ohmsche Polarisation und Massentransportpolarisation.
Polarisationsphänomene und ihre Auswirkungen
Aktivierungspolarisation: Ursachen und Optimierungsmethoden
Die Aktivierungspolarisation, auch elektrochemische Polarisation genannt, bezeichnet den Spannungsverlust in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), der durch die Geschwindigkeitsbegrenzung des Ladungstransferprozesses während der elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden verursacht wird. Dieser Polarisationsprozess ist besonders bei niedrigen Stromdichten ausgeprägt. In solchen Fällen sinkt die Zellspannung mit steigendem Reaktionsstrom rapide. Beispielsweise fällt die Spannung von der theoretischen Leerlaufspannung von 1.229 V auf etwa 0.8 V ab, wobei der genaue Wert je nach System und Bedingungen variieren kann.
Während des Zellbetriebs können verschiedene Methoden die Betriebsbedingungen optimieren, um die Kinetik der Elektrodenreaktionen zu beschleunigen und dadurch die mit der Aktivierungspolarisation verbundene Überspannung zu reduzieren. Zu diesen Methoden gehören:
Erhöhung der Reaktionstemperatur: Durch die Erhöhung der Reaktionstemperatur kann die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt und somit die Aktivierungspolarisation verringert werden.
Erhöhung der Reaktantenkonzentration (oder des Drucks): Durch die Erhöhung der zugeführten Reaktantenkonzentration kann die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt und der Spannungsverlust verringert werden.
Einsatz von Hochleistungselektrokatalysatoren: Effiziente Katalysatoren können die Aktivierungsenergie der Reaktion senken, wodurch die Elektrodenreaktionen schneller und effektiver ablaufen.
Vergrößerung der Dreiphasen-Reaktionszone der Membranelektrode: Durch die Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Gas-, Flüssig- und Festphase können die Reaktanten die Katalysatoroberfläche besser erreichen, wodurch die Reaktionseffizienz gesteigert wird.
Durch den Einsatz dieser Methoden kann der Grad der Aktivierungspolarisation deutlich verbessert und somit die Gesamtleistung der Brennstoffzelle gesteigert werden.
Bei Zelltests ermöglicht die Analyse des Aktivierungspolarisationsbereichs der Zellkennlinie (IV-Kennlinie) die Bewertung der Katalysatorleistung und der Dreiphasenreaktionszone der Membranelektrode. Spannungsänderungen im Bereich niedriger Stromdichten geben Aufschluss über die Effizienz des Elektrokatalysators und die Qualität des Elektrodendesigns. Durch diese Analyse lassen sich Design und Betriebsbedingungen der PEMFC effektiv optimieren und somit Leistung und Effizienz der Zelle verbessern.
Der Einfluss der ohmschen Polarisation und Lösungen
Die ohmsche Polarisation beschreibt den Spannungsabfall, der durch den Widerstand beim Ionen- und Elektronentransport in einer Batterie entsteht und sich vor allem im mittleren Bereich der Batteriepolarisationskurve zeigt. Der Membranwiderstand ist dabei die Hauptkomponente. Nafion-Membranen benötigen eine bestimmte Luftfeuchtigkeit, um Protonen optimal zu leiten. Änderungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit können die Protonenleitfähigkeit erheblich beeinflussen. Bei Nafion-117-Membranen ist die Leitfähigkeit bei hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit (82 °C, 100 % relative Luftfeuchtigkeit) 400-mal höher als bei niedriger Temperatur und niedriger Luftfeuchtigkeit (24 °C, 10 % relative Luftfeuchtigkeit).
Die Optimierung der Protonenleitfähigkeit von Protonenaustauschmembranen sowie der Leitfähigkeit und des Kontaktwiderstands verschiedener leitfähiger Komponenten innerhalb der Batterie kann die ohmsche Polarisation der Batterie verbessern und ihre Leistung steigern. In den letzten Jahren wurden viele neue Arten von protonenleitenden Membranen entwickelt, darunter Polymermembranen mit Phosphorsäure (PAE) und andere organisch-anorganische Hybridmembranen, die unter bestimmten Bedingungen eine bessere Leistung als Nafion bieten können.
In modernen PEMFC-Systemen ist das Feuchtigkeitsmanagement eine der zentralen Herausforderungen. Der Einsatz von Technologien wie Gas- oder Membranbefeuchtern zur Aufrechterhaltung einer optimalen Membranfeuchtigkeit ist ein wichtiger Forschungsschwerpunkt. Hochtemperatur-Brennstoffzellen (HT-PEMFC) verwenden hingegen mit Phosphorsäure dotierte protonenleitende Membranen, die bei Temperaturen über 100 °C betrieben werden können und so die Wasser- und Wärmemanagementsysteme vereinfachen.
Durch den Einsatz dieser neuen Materialien und Technologien dürften die Leistung und Stabilität von PEMFCs weiter verbessert werden, was ihren breiten Einsatz in verschiedenen Anwendungen fördern dürfte.
Der Einfluss der Massentransportpolarisation und Verbesserungsmaßnahmen
Die Massentransportpolarisation, auch Konzentrationspolarisation genannt, tritt im späteren Verlauf der Batteriepolarisationskurve auf. Die elektrokatalytischen Reaktionen finden innerhalb der Membranelektrode statt. Dabei müssen die Reaktanten die Katalysatoroberfläche erreichen, um an den Reaktionen teilzunehmen, und die Produkte müssen von dort abgeführt werden. Bei ausreichend hoher Reaktionsgeschwindigkeit kann das entstehende Wasser nicht rechtzeitig abgeführt werden, und die Reaktionsgase erreichen die Elektrodenoberfläche nicht ungehindert. Dies führt zu einem raschen Abfall der Reaktantenkonzentration nahe der Elektrodenoberfläche und somit zu einer Reduzierung der Batteriespannung.
Im Batteriebetrieb kann die Massentransportpolarisation durch Anpassung von Durchflussrate und Druck der Reaktionsgase verzögert werden. Bei Batterietests lässt sich der Konzentrationspolarisationsbereich der Leistungskurve zudem zur Bewertung des Wassermanagements der Batterie heranziehen. In den letzten Jahren wurden verschiedene fortschrittliche Wassermanagementtechniken entwickelt, darunter optimierte Gasströmungskanaldesigns, die Verwendung hydrophiler/hydrophober Materialkombinationen und Mikrokanaltechnologie. Diese Techniken verbessern das Wassermanagement effektiv und reduzieren die Auswirkungen der Massentransportpolarisation.
Darüber hinaus kann die Verbesserung der Struktur der Katalysatorschicht, wie z. B. die nanoskalige Katalysatorverteilung, die Verbesserung der Porenstruktur der Katalysatorschicht und die Optimierung des Designs der Membran-Elektroden-Einheit (MEA), einschließlich der Katalysatorschicht, der Gasdiffusionsschicht (GDL) und der Bipolarplatten, die Transporteffizienz der Reaktanten deutlich steigern, die Massentransportpolarisation weiter reduzieren und die Gesamtleistung der Batterie verbessern.
Durch die Anwendung dieser neuen Technologien und Optimierungsmethoden wird erwartet, dass die Leistung und Stabilität von PEMFCs weiter verbessert werden, wodurch deren breite Anwendung in verschiedenen Bereichen gefördert wird.
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