Dokument: Photoakustische Untersuchungen zur Quantifizierung kleiner Kohlendioxidkonzentrationen bei der Kohlenstoffkorrosion in PEM-Brennstoffzellen

Titel:	Photoakustische Untersuchungen zur Quantifizierung kleiner Kohlendioxidkonzentrationen bei der Kohlenstoffkorrosion in PEM-Brennstoffzellen
Weiterer Titel:	Photoacoustic investigations for the quantification of low carbon dioxide concentrations in carbon corrosion in PEM fuel cells
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64610
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20240118-092932-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Chmiel Vitaliy [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,97 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 11.01.2024 / geändert 11.01.2024
Beitragende:	Prof. Dr. Schmitt Michael [Gutachter] Prof. Dr Weinkauf Rainer [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie
Beschreibungen:	Brennstoffzellen spielen eine entscheidende Rolle in der aufkommenden Wasserstoffwirtschaft, insbesondere hinsichtlich der Energiegewinnung durch die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie. Das Arbeitsprinzip basiert auf einer katalytisch induzierten direkten Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser. Während dieser Reaktion wird die Reaktionsenthalpie hauptsächlich in Form von elektrischer Energie freigesetzt, wobei nur ein kleiner Teil als Wärme abgegeben wird. Dieser Aspekt macht Brennstoffzellen zu einem entscheidenden Werkzeug in der Suche nach effizienten und umweltfreundlichen Energiesystemen. Das zentrale Ziel dieser Studie war die Entwicklung einer photoakustischen Messzelle, die auch bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit genau niedrige Kohlendioxidkonzentrationen im Kathodenabgas einer Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle misst. Durch diese entwickelte Einrichtung wurde die Echtzeitanalyse und Erfassung von CO2-Konzentrationsänderungen im niedrigen ppm-Bereich ermöglicht. Degradationsprozesse in PEM-Komponenten wurden untersucht, insbesondere die Kohlenstoffkorrosion. Die gemessenen CO2-Emissionen korrelierten mit elektrochemischen Reaktionen auf der Katalysatorschicht, wie vom Korrosionsmodell von A. Pandy vorgeschlagen. Diese Forschung ergab, dass die Rate der Kohlenstoffkorrosion von dem Platingehalt auf der Katalysatorschicht der Membranelektrodenbaugruppe (MEA) abhängig war. Ein höherer Platingehalt war mit einer höheren CO2-Produktion verbunden. Zwei kommerzielle MEAs mit unterschiedlichen Platingehalten wurden getestet. Die Ergebnisse bestätigten die Abhängigkeit der Kohlenstoffkorrosionsrate vom Platingehalt auf der Katalysatorschicht der MEA und eröffneten neue Wege zur Optimierung von PEM-Brennstoffzellen. Ein umfassendes Experiment mit 40 Mikrofonen in einem Resonator führte zu wertvollen Einblicken in Schallwellenmuster. Diese Informationen halfen bei der Entwicklung einer robusten und empfindlichen photoakustischen Messzelle, die optimal für anspruchsvolle Bedingungen geeignet ist. Eine innovative Überarbeitung des Signalerfassungs- und Verarbeitungskonzepts beseitigte die Notwendigkeit teurer Lock-In-Verstärker. Die Forschung hat Licht auf das Verhalten von Schallwellen, die Rolle von CO im Alterungsprozess von PEM-Komponenten, und auf nachhaltigere, kostengünstigere Brennstoffzellentechnologien durch den Einsatz von Katalysatoren auf Basis von Nichtedelmetallen und graphenebasierten Materialien geworfen. Fuel cells play a vital role in the emerging hydrogen economy, especially in terms of energy recovery through the conversion of hydrogen into electrical power. The working principle is based on a catalytically induced direct conversion of hydrogen and oxygen into water. During this reaction, the reaction enthalpy is primarily released in the form of electrical energy, with only a small portion being discharged as heat. This aspect makes fuel cells a crucial tool in the quest for efficient and eco-friendly energy systems. The central aim of this study was to develop a photoacoustic measurement cell that accurately measures low carbon dioxide concentrations in the cathode exhaust gas of a Proton Exchange Membrane (PEM) fuel cell, even at high relative humidity. Real-time analysis and detection of CO2 concentration changes in the low ppm range were made possible by this setup which was developed. Degradation processes in PEM components were studied, particularly carbon corrosion. The measured CO2 emissions correlated with electrochemical reactions on the catalyst layer, as proposed by the corrosion model of A. Pandy. This research found that the rate of carbon corrosion was dependent on the platinum content on the catalyst layer of the membrane electrode assembly (MEA). Higher platinum content was associated with higher CO2 production. Two commercial MEAs with different platinum contents were tested. The results confirmed the dependency of the carbon corrosion rate on the platinum content on the catalyst layer of the MEA, opening up new avenues for the optimization of PEM fuel cells. A comprehensive experiment using 40 microphones in a resonator led to valuable insights into sound wave patterns. This information helped develop a robust and sensitive PAS measurement cell, optimal for challenging conditions. Innovative revision of the signal acquisition and processing concept eliminated the need for costly lock-in amplifiers. The research has shed light on the behavior of sound waves, the role of CO in the aging process of PEM components, and pointed towards more sustainable, cost-effective fuel cell technologies through the use of non-precious metal-based catalysts and graphene-based materials.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Physikalische Chemie und Elektrochemie
Dokument erstellt am:	18.01.2024
Dateien geändert am:	18.01.2024
Promotionsantrag am:	07.09.2023
Datum der Promotion:	13.11.2023