IEA AFC Annex 31: Photometric Method to Determine Membrane Degradation in Polymer Electrolyte Fuel Cells (2023)

In dieser Arbeit wurde eine PEFC mit einer aktiven Fläche von 25 cm² dem chemischen Stabilitätsprotokoll der DOE MEA als beschleunigter Stresstest (AST) bei zwei Temperaturen (80 °C und 90 °C) unterzogen und Proben des Abwassers wurden mit einem UV-Vis-Spektrometer analysiert. Den periodisch entnommenen Proben aus dem Stresstest wurde Zr(IV)-SPADNS2 zugesetzt und Absorptionsspektren zur Bestimmung der Fluorkonzentration aufgenommen.

Zu Beginn des Tests und nach dem Experiment am Ende des Tests wurden umfassende elektrochemische Charakterisierungen durchgeführt, um die Leistungsverluste und die Veränderungen aufgrund der Membrandegradation in den Zellen zu untersuchen. Außerdem wurden die Wasserproben mit einer fluoridselektiven Elektrode gemessen und ein Mittelwert-Differenz-Plot erstellt, um die PM-Messdaten zu verifizieren.

Ein neuartiger Ansatz zur Messung der Fluorid-Emissionsrate von PEFC-Membranen wird vorgestellt. Die Methode basiert auf dem photometrischen Nachweis von Fluoridionen in den anodischen und kathodischen Kompartimenten der PEFCs. Zwei OCV-basierte ASTs wurden bei 90 °C bzw. 80 °C durchgeführt, und der Abbau wurde durch Polarisationskurven, Hochfrequenz-Widerstandsmessungen und die Bestimmung der Fluorid-Emissionsrate aus dem Abwasser quantifiziert. Es wurde auch ein Zuverlässigkeitsvergleich der PM-Methode mit einer fluoridselektiven Elektrode durchgeführt.

Die beiden Methoden zeigen eine gute Übereinstimmung über den gesamten Konzentrationsbereich, was auf eine gute Eignung für den Einsatz der PEFC-Technologie hinweist. Die elektrochemische Charakterisierung zeigt einen Leistungsabfall und einen ausgeprägten Spannungsabfall im ohmschen Bereich für beide Messungen. Die bei 90 °C getestete Zelle weist einen höheren Grad an chemischer Degradation auf, was auf die Ausdünnung der PFSA-Membran zurückzuführen sein könnte. Die Messergebnisse korrelieren sehr gut mit der vorhandenen Literatur.

Photometric Method to Determine Membrane Degradation in Polymer Electrolyte Fuel Cells