In-situ Raman-Spektroskopie in PEM-Brennstoffzellen
Fischer, Peter - Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (2011)
Die Effizienz der elektrochemischen Umsetzung einer PEM-Brennstoffzelle wird von der Größe des lastabhängigen Innenwiderstands bestimmt. Der Ohm'sche Anteil des Innenwiderstands ist eng verknüpft mit dem Wasseranteil der gequollenen Ionomerenmembran. Das in der Membran gebundene Wasser steht über das Sorptionsgleichgewicht im Verhältnis mit dem Wassergehalt des darüber liegenden Gasraums. In dieser Arbeit wurde der Wasser- und Wasserstoffgehalt des Gasraums bestimmt. Zu diesem Zweck wurde eine ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie für die Konzentrationsbestimmung von Gasen in PEM-Brennstoffzellen entwickelt. Es wurden zwei Aufbauten realisiert. Zunächst wurde ein Mikroskopaufbau an eine Miniaturbrennstoffzelle mit einem eingelassenen Observationsfenster angepasst. Mit diesem Aufbau konnten die Raman-Spektren von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und flüssigem sowie gasförmigem Wasser während des Zellbetriebs aufgenommen werden. Eine Erweiterung des Mikroskopaufbaus stellt der Multifaseraufbau dar. Der Multifaseraufbau besteht aus maximal sieben Raman-Lichtleitersonden, die an verschiedenen Positionen in das Flussfeld einer Brennstoffzelle eingebracht werden. Mit dem Aufbau konnte der Wasserstoff- und Wassergehalt der Anode an verschiedenen Positionen während des Zellbetriebs verfolgt werden. Der lokale Wasserstoffgehalt wurde mit den theoretischen Wasserstoffumsätzen verglichen, die aus einer ortsaufgelösten Stromdichtemessung ermittelt wurden. Unterschiede zwischen dem theoretischen und dem gemessenen Umsatz zeigten sich vor allem am Zelleingang, an dem auch der größte Teil der Zellleistung abfiel. Aus den Raman-Signalen des gasförmigen Wassers wurde die ortsaufgelöste relative Feuchte errechnet. Diese wurde mit dem theoretischen Wassergehalt der Membran in Bezug gesetzt, der aus Impedanzmessungen ermittelt wurde. Beispielhaft wurden die Auswirkungen verschiedener Eingangsbefeuchtungen auf die Gaszusammensetzung beschrieben. Es zeigte sich, dass die Wasserstoff-Wasserzusammensetzung während des Betriebes stark variiert, wohingegen die Stromdichte ebenso wie der Wassergehalt der Membran nur geringen Schwankungen unterworfen war.
Mit der Raman-Spektroskopie wurden auch kritische Zustände der Zelle untersucht. Dazu gehört unter anderem der Durchtritt von Stickstoff und Sauerstoff durch einen Membrandefekt. Der Defekt wurde mit Hilfe des Lasers in die Membran gebrannt und der Durchtritt von Stickstoff und Sauerstoff bei verschiedenen kathodischen Luftflüssen verfolgt. Aus der Größe des Durchtritts wurde die Größe des Defektes zu verschiedenen Zeiten abgeschätzt. Die Gastemperatur der katalytischen Verbrennung wurde aus dem Rotationsspektrum des Wasserstoffs ermittelt.