Towards precise proton exchange membrane fuel cell cathode degradation prediction

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem zentralen Problem der Kathoden-Degradation in Polymerelektrolytbrennstoffzelle (englisch Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEM-FC) welche maßgeblich die Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellensystemen beeinflusst. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines fortschrittlichen Modells zur Vorhersage kathodenbezogener Spannungsverluste infolge von Degradationsprozessen. Dieses Modell soll zur Optimierung von Betriebsstrategien beitragen und die Konzeption und Entwicklung langlebigerer Kathoden unterstützen. Die Degradation der PEM-FC, insbesondere auf der Kathodenseite, stellt eine der größten Herausforderungen in der Brennstoffzellentechnologie dar, da sie die Lebensdauer und somit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems maßgeblich bestimmt. Bestehende Modelle konzentrieren sich zumeist auf den Verlust der elektrochemisch aktiven Oberfläche (ECSA), sind jedoch häufig nicht in der Lage, diese Verluste präzise in Spannungsverluste unter variierenden Betriebsbedingungen zu übersetzen. Diese begrenzte Prognosefähigkeit erschwert die gezielte Verbesserung der Betriebsführung sowie die Entwicklung langlebigerer Komponenten. Um diese Lücke zu schließen, wird in dieser Arbeit ein erweitertes diagnostisches Verfahren angewendet, um die zugrunde liegenden Ursachen der Kathoden-Degradation detailliert zu analysieren. Dabei werden zentrale Kathodenparameter wie ECSA, Tafel-Slope, Austauschstromdichte, Massentransportwiderstand sowie PtOx-bedingte Spannungsverluste im Rahmen beschleunigter Alterungstests (AST) erfasst. Die Untersuchungen zeigen, dass die durch Oxidbildung verursachten Überspannungen mit zunehmender Alterung abnehmen und PtOx-Verluste stark vom Kathodenpotential abhängen. Gegen Ende der Tests nehmen PtOx-Verluste, mit Ausnahme bei sehr kleinen Stromdichten, deutlich ab, zeigen jedoch über alle Proben hinweg eine konsistente Abhängigkeit von der Halbzellenspannung. Trotz Berücksichtigung dieser PtOx-bedingten Effekte bleiben nicht zuordenbare Verluste bestehen bzw. erscheinen teils sogar erhöht, insbesondere bei höheren Stromdichten. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Spannungsverluste im Zuge der Kathoden-Degradation mit zunehmender Stromdichte ansteigen, ohne dass sich dies durch eine Veränderung des ohmschen Widerstands erklären lässt. Die Analyse legt vielmehr nahe, dass Veränderungen im Tafel-Slope, welche auf strukturelle Veränderungen des Katalysators hinweisen, eine wesentliche Rolle spielen. Aufbauend auf einem bestehenden physikalischen Modell wird in dieser Arbeit die ECSA-Degradation unter verschiedenen AST-Bedingungen vorhergesagt. Der berechnete ECSA-Verlust wird anschließend empirisch mit den gemessenen Spannungsverlusten korreliert, wobei neben der ECSA auch die Entwicklung von Tafel-Slope und Austauschstromdichte berücksichtigt wird. Abschließend liefert die Dissertation ein umfassendes Modell zur Verknüpfung von ECSA-Verlusten und Spannungsabfall, welches neue Einblicke in die Alterung von PEM-Brennstoffzellen ermöglicht. Das Modell bietet damit eine wertvolle Grundlage für die Optimierung des Zellbetriebs und die Entwicklung robusterer Kathodenmaterialien mit dem Ziel, die Brennstoffzellentechnologie nachhaltiger und kosteneffzienter zu gestalten.