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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Angewandte Elektrochemie

• Charakterisierung von Brennstoffzellen
• Korrosionsuntersuchungen an Bipolarplatten
• Modellentwicklung zur Beschreibung von Einflussgrößen auf die Polarisationskurven

Brennstoffzellen sind elektrochemische Membran-Reaktoren, welche chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Die Leistung und Effizienz dieser Reaktoren hängt sowohl von “klassischen” Betriebsparametern wie Temperatur und eingestellten Stoffströmen ab als auch von elektrischen Eigenschaften wie Katalysator-Nutzung und ionischer Leitfähigkeit der Membran ab. Brennstoffzellen besitzen einen komplexen inneren Aufbau, wobei die Strömungsführung in den Zellen einen deutlichen Einfluss auf das Betriebsverhalten hat [1]. Die Charakterisierung von Brennstoffzellen wird im Labormaßstab in so genannten Testständen für Einzelzellen und Zellstapel durchgeführt. Elektrische Eigenschaften wie der resultierende Widerstand lassen sich z. B. durch Impedanz-Spektroskopie (EIS) erfassen [2]. Unterschiedliche Betriebsbedingungen führen zu unterschiedlichem Verhalten der Zellen, welches sich durch detaillierte Untersuchung der zu Grunde liegenden physikalischen Phänomene verstehen lässt [3,4].
Das Verhalten einer Brennstoffzelle wird am deutlichsten durch die so genannte Polarisationskurve beschrieben (s. Bild 1). Die experimentelle Charakterisierung wird ebenfalls durch geeignete Modellbildung ergänzt, um sowohl das Verhalten während des normalen Betriebes abzubilden als auch Ursachen und Wirkung von Alterungsphänomenen zu beschreiben [5,6]. Dabei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Charakterisierung der Korrosion der verwendeten Materialien, welche besonders bei höheren elektrischen Potentialen verstärkt auftreten [7].

Links - Brennstoffzelle vom Typ HT-PEFC / Rechts - Polarisationskurve (T = 160 °C, p = 101.325 kPa, Stöchiometrie = 2/2 Wasserstoff / Luft, 3-fach Mäander mit 16.65 cm2 aktiver Fläche, CELTEC P1000 MEA)Bild 1: Links - Brennstoffzelle vom Typ HT-PEFC / Rechts - Polarisationskurve (T = 160 °C, p = 101.325 kPa, Stöchiometrie = 2/2 Wasserstoff / Luft, 3-fach Mäander mit 16.65 cm2 aktiver Fläche, CELTEC P1000 MEA)


[1] F. Liu, M. Kvesić, K. Wippermann, U. Reimer, W. Lehnert; Effect of Spiral Flow Field Design on Performance and Durability of HT-PEFCs, Journal of The Electrochemical Society, 160 (8) F892-F897 (2013)

[2] K. Wippermann, C. Wannek,  H.-F. Oetjen, J. Mergel and W. Lehnert; Cell resistances of poly(2,5-benzimidazole)-based high temperature polymer membrane fuel cell membrane electrode assemblies: Time dependence and influence of operating parameters, J. Power Sources 195 (2010) 2806–2809

[3] F. Liu, S. Mohajeri, Y. Di, K. Wippermann, W. Lehnert; Influence of the Interaction between Phosphoric Acid and Catalyst Layers on the Properties of  HT-PEFCs, Fuel Cells, 14 (2014) 750-757

[4] U. Reimer, J. Ehlert, H. Janßen, W. Lehnert; Water distribution in high temperature polymer electrolyte fuel cells, Int. J. Hydrogen Energy 41 (2016) 1837-1845

[5] A. Kulikovsky, Analytical Modelling of Fuel Cells, Elsevier B.V. 2010

[6] U. Reimer, B. Schumacher, W. Lehnert; Accelerated degradation of high-temperature polymer electrolyte fuel cells – discussion and empirical modeling, J. Electrochemical Soc. 162 (2015) F153-F164

[7] V. Weissbecker, K. Wippermann, W. Lehnert; Electrochemical Corrosion Study of Metallic Materials in Phosphoric Acid as Bipolar Plates for HT-PEFCs, J. Electrochemical Soc. 161 (2014) F1437-F1447


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