IEA AFC Annex 31: Studie "The Influence Catalyst Layer Thickness on Resistance Contributions of PEMFC Determined by Electrochemical Impedance Spectroscopy" (2021)
Bibliographische Daten
Maximilian Grandi, Kurt Mayer, Matija Gatalo, Gregor Kapun, Francisco Ruiz-Zepeda, Bernhard Marius, Miran Gaberšček, Viktor HackerHerausgeber: MDPI, Energies 14
Englisch, 18 Seiten
Inhaltsbeschreibung
Durch die Kombination bekannter Modelle wurde ein neues Ersatzschaltbildmodell erstellt. Das neue Modell ist in der Lage, das Impedanzsignal im gesamten Frequenzspektrum von 105-10-2 Hz zu simulieren, das üblicherweise bei experimentellen Arbeiten an Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFCs) verwendet wird. Das Modell wurde mit experimentellen Daten und mit einem älteren Modell aus der Literatur zur Verifizierung verglichen. Die elektrochemischen Impedanzspektren, die an verschiedenen MEAs mit Kathodenkatalysatorschichtdicken von ca. 5 und 12 µm aufgenommen wurden, zeigen das Auftreten eines dritten Halbkreises im Niederfrequenzbereich, der mit der Stromdichte skaliert. Es wurde gezeigt, dass der ohmsche Widerstandsbeitrag (Rmt) dieses dritten Halbkreises mit der Dicke der Katalysatorschicht zunimmt. Außerdem zeigt sich, dass der Elektrolytwiderstand mit zunehmender Katalysatorschichtdicke abnimmt. Als Ursache für dieses Phänomen wurde eine erhöhte Wasserretention durch dickere Katalysatorschichten ermittelt.
Das entwickelte Modell wurde in einer Studie zum Elektrodendesign verwendet, um die Schichtdicke der Kathoden-Katalysator-Schicht zu optimieren. Es zeigte sich, dass eine höhere Schichtdicke des Katalysators zu einer deutlichen Erhöhung des diffusionsbedingten Widerstands führen kann. Rmt nahm zu, wenn die Dicke der Katalysatorschicht von ca. 5 auf 12 µm erhöht wurde:
- um 264 % für den Katalysator mit der gleichen Struktur, aber einer dickeren Schicht durch Verdoppelung der Pt-Beladung (MEA 40/0,25 vs. MEA 40/0,125).
- um 67 % für die Katalysatorschicht bei Verwendung eines Katalysators mit höherer und gleichmäßigerer Platinverteilung (MEA 20/0,125 gegenüber MEA 40/0,125) und geringerem I/C-Verhältnis (0,6 gegenüber 0,8).
Gleichzeitig verringerte sich der Membranwiderstand leicht um 9 % bei MEA 40/0,250 und um 17 % bei MEA 20/0,125 im Vergleich zu MEA 40/0,125. Diese Auswirkungen auf die Widerstandsbeiträge wurden auf den höheren Grad der Wasserretention in den Katalysatorschichten und der Membran mit zunehmender Katalysatorschichtdicke zurückgeführt.