Untersuchung der Eignung einer Alkohollösung alsFrostschutzmittel für PEMFC-Kaltstartversuche

Eine der Herausforderungen zur Kommerzialisierung des Brennstoffzellenfahrzeugs ist die Kaltstartfahigkeit und eine hohe Lebensdauer auch unter Frostbedingungen sicherzustellen. Heute werden Polymerelektrolytbrennstoffzellen in der automobilen Anwendung einer Gasspulungskonditionierung unterzogen, um Restwasser aus den Zellen zu entfernen und somit Schadigungen und damit einhergehenden Leistungsverlust aufgrund von gefrierendem Wasser zu vermeiden. In dieser Studienarbeit wird ein alternatives Konditionierungsverfahren auf dessen prinzipielle Eignung untersucht. Eine Alkohollosung soll als Frostschutzmittel dienen und wahrend Gefrier-/Auftauzyklen in der Zelle das Gefrieren des Wassers verhindern. Die Leistungsuntersuchungen werden mit einer fur automobile Anwendungen geeigneten Membranelektrodeneinheit mit einer aktiven Flache von 25 cm² an einem Brennstoffzellenprufstand durchgefuhrt. Zudem werden die Zellen mit der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS), der Cyclovoltammetrie (CV) und der Rasterelektronenmikroskopie (SEM, engl. Scanning Electron Microscope) untersucht. Zuerst wird gezeigt, dass ohne Konditionierungsverfahren Gefrier-/Auftauzyklen einen erheblichen Leistungsverlust verursachen. Anhand von EIS Messungen kann die in der Literatur nachgewiesene Erhohung des Ladungstransferwiderstandes bestatigt werden. CV Untersuchungen zeigen eine Verringerung der elektrochemischen aktiven Oberflache (ECSA, engl. Electrochemical active surface area) und Membran-Kurzschlusse. Die oft in Forschungsarbeiten gezeigten Delaminationen der Elektroden von der Membran werden in den SEM Aufnahmen jedoch nicht beobachtet. Die prinzipielle Eignung einer Methanollosung wird in Methanolvertraglichkeitsuntersuchungen gezeigt, in welchen kein Leistungsverlust detektiert wird. Die anschliesend durchgefuhrten Gefrier-/Auftauzyklen mit einer 40%igen Methanollosung als Frostschutzmittel (entspricht einem Frostschutz bis -30°C) zeigen, dass der ohne Konditionierung beobachtete Leistungsverlust drastisch reduziert werden kann und erst im Bereich der Kennlinie hinter dem Leistungsmaximum auftritt. Jedoch zeigen die Cyclovoltammetrie Messungen, dass an der Anode eine reversible Verseuchung des Platinkatalysators durch Methanol stattfindet, die auch die ECSA reduziert. Dieser Effekt scheint auf die Zellleistung keinen relevanten Effekt zu haben. Um die Wirksamkeit des Konditionierungsverfahrens einordnen zu konnen, werden zusatzlich Gefrier-/Auftauzyklen mit einem konventionellen Konditionierungsverfahren (Stickstoffspulung) durchgefuhrt. Diese zeigen, wie erwartet, einen geringeren Leistungsverlust, als ohne Konditionierungsverfahren. Jedoch wird eine hohere Degradationsrate auch schon bei geringeren Stromdichten beobachtet, als bei der Anwendung der Methanollosung als Frostschutzmittel. Auserdem wird in (Kalt-)Start- und Warmeentwicklungsversuchen untersucht, wie sich Methanol auf die Kaltstartfahigkeit der Zelle auswirkt. Bei Frostbedingungen in der Zelle wird allerdings keine relevante Warmeentwicklung durch direkte Methanoloxidation beobachtet, wenn sofort nach dem Austreiben der Methanollosung aus der Zelle die Reaktanten zugefuhrt werden. Auch der Kaltstart im DMFC-Betrieb, d.h. mit Methanollosung auf der Anode und Luft auf der Kathode, ist aufgrund von entstehenden Mischpotentialen, die von Methanoldurchtritt durch die (im Verhaltnis zu DMFC Membranen) sehr dunne Membran verursacht werden, nicht moglich. Der Kaltstart im PEMFC-Betrieb zeigt zwar geringe, jedoch im Vergleich mit Messungen die im Rahmen des FCH JU Projektes INN-Balance mit Stacks durchgefuhrt wurden, etwas hohere Stromdichten. Kritischer ist die Tatsache, dass trotz Stickstoff- und DI-Wasserspulung und dem Aufheizen der MEA auf Betriebstemperatur von ca. 80°C nach der Methanolflutung die Zellen nicht in allen Fallen sofort leistungsbereit waren, was von Methanolresten in der MEA verursacht sein konnte. Daher lasst sich eine einfache (Kalt-)Startprozedur unter der Verwendung einer Methanollo- sung nur schwer realisieren. Unabhangig vom (Kalt)-Start ist die Anwendung einer Alkohollosung als Frostschutzmittel wahrend Gefrier-/Auftauzyklen prinzipiell als Konditionierungsverfahren geeignet. Jedoch sollte der Langzeiteinfluss von Methanol auf die Zellkomponenten weiter untersucht werden, da nicht eindeutig geklart werden konnte, ob z.B. der in einem Versuch beobachtete Membrandefekt durch die Gefrier-/Auftauzyklen mit Methanol entstanden ist. Auserdem sollte das Startverhalten der Zelle nach Methanoleinfluss genauer analysiert werden.