Dokument: In-situ Raman-Spektroskopie in PEM-Brennstoffzellen

Titel:	In-situ Raman-Spektroskopie in PEM-Brennstoffzellen
Weiterer Titel:	In-situ Raman-Spectroscopy in PEM Fuel Cells
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=18669
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20110713-121041-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Fischer, Peter [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 47,16 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.07.2011 / geändert 13.07.2011
Beitragende:	Prof. Dr. Bettermann, Hans [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Kleinermanns, Karl [Gutachter]
Stichwörter:	Raman-Spektroskopie, Brennstoffzellen
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Die Effizienz der elektrochemischen Umsetzung einer PEM-Brennstoffzelle wird von der Größe des lastabhängigen Innenwiderstands bestimmt. Der Ohm’sche Anteil des Innenwiderstands ist eng verknüpft mit dem Wasseranteil der gequollenen Ionomerenmembran. Das in der Membran gebundene Wasser steht über das Sorptionsgleichgewicht im Verhältnis mit dem Wassergehalt des darüber liegenden Gasraums. In dieser Arbeit wurde der Wasser- und Wasserstoffgehalt des Gasraums bestimmt. Zu diesem Zweck wurde eine ortsaufgelöste Raman-Spektroskopie für die Konzentrationsbestimmung von Gasen in PEM-Brennstoffzellen entwickelt. Es wurden zwei Aufbauten realisiert. Zunächst wurde ein Mikroskopaufbau an eine Miniaturbrennstoffzelle mit einem eingelassenen Observationsfenster angepasst. Mit diesem Aufbau konnten die Raman-Spektren von Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und flüssigem sowie gasförmigem Wasser während des Zellbetriebs aufgenommen werden. Eine Erweiterung des Mikroskopaufbaus stellt der Multifaseraufbau dar. Der Multifaseraufbau besteht aus maximal sieben Raman-Lichtleitersonden, die an verschiedenen Positionen in das Flussfeld einer Brennstoffzelle eingebracht werden. Mit dem Aufbau konnte der Wasserstoff- und Wassergehalt der Anode an verschiedenen Positionen während des Zellbetriebs verfolgt werden. Der lokale Wasserstoffgehalt wurde mit den theoretischen Wasserstoffumsätzen verglichen, die aus einer ortsaufgelösten Stromdichtemessung ermittelt wurden. Unterschiede zwischen dem theoretischen und dem gemessenen Umsatz zeigten sich vor allem am Zelleingang, an dem auch der größte Teil der Zellleistung abfiel. Aus den Raman-Signalen des gasförmigen Wassers wurde die ortsaufgelöste relative Feuchte errechnet. Diese wurde mit dem theoretischen Wassergehalt der Membran in Bezug gesetzt, der aus Impedanzmessungen ermittelt wurde. Beispielhaft wurden die Auswirkungen verschiedener Eingangsbefeuchtungen auf die Gaszusammensetzung beschrieben. Es zeigte sich, dass die Wasserstoff-Wasserzusammensetzung während des Betriebes stark variiert, wohingegen die Stromdichte ebenso wie der Wassergehalt der Membran nur geringen Schwankungen unterworfen war. Mit der Raman-Spektroskopie wurden auch kritische Zustände der Zelle untersucht. Dazu gehört unter anderem der Durchtritt von Stickstoff und Sauerstoff durch einen Membrandefekt. Der Defekt wurde mit Hilfe des Lasers in die Membran gebrannt und der Durchtritt von Stickstoff und Sauerstoff bei verschiedenen kathodischen Luftflüssen verfolgt. Aus der Größe des Durchtritts wurde die Größe des Defektes zu verschiedenen Zeiten abgeschätzt. Die Gastemperatur der katalytischen Verbrennung wurde aus dem Rotationsspektrum des Wasserstoffs ermittelt. The efficiency of the electrochemical reaction of a PEM fuel cell is dominated by the load-depended internal resistance. The omic impedance of the internal resistance is strongly connected to the fraction of water in the swollen ionomeric membrane. Internally bound water is connected with the ratio of water contend in the above gas compartment via sorption equilibrium. In this work the water and hydrogen contend of the gas compartment was determined. For this purpose a locally resolved Raman spectroscopy for the determination of gases in PEM fuel cells was build. Two set ups were put into practise. Initially a microscope setup was adapted to a miniature fuel well, in which an observation window was inserted. With this set-up the Raman spectra of hydrogen, oxygen, nitrogen and liquid as well as gaseous water could be pursued during fuel cell operation. An upgrading of the microscope set-up is the multi-fibre set-up. The multi-fibre set-up consists of up to seven Raman- fibre probes that are placed at different positions along the flow field of a fuel cell. With this set-up the hydrogen and water contend on the anode side was pursued at various positions during cell operation. The local hydrogen content was compared to the theoretical hydrogen conversion, which is derived from locally resolved current density measurement. Differences between the theoretical and the measured conversions showed up at the entrance of the cell, where the bigger part of the cell power is generated. The locally resolved relative humidity was calculated from Raman signals of gaseous water. The values were related to the theoretical water content of the membrane, which was derived from impedance measurements. Exemplarily the impact of different external humidification on the gas composition was described. It could be seen, that the hydrogen-water composition varied strongly during operation whereas current density just as well as the water contend of the membrane were subjected to only minor changes. With Raman spectroscopy critical conditions of the cell were investigated too. Amongst others the passage of nitrogen and oxygen through a defect of the membrane as recorded. The defect was burned in the membrane with a Laser and the passage of nitrogen and oxygen at different cathodic airflows was pursued. From dimension of the passage the size of the defect was estimated. The gas temperature of the internal catalytic combustion was derived from rotational Raman spectra.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie
Dokument erstellt am:	13.07.2011
Dateien geändert am:	13.07.2011
Promotionsantrag am:	28.04.2011
Datum der Promotion:	09.06.2011