Elektrochemische Druckimpedanzspektroskopie für die Charakterisierung von Transportvorgängen in elektrochemischen Zellen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Bessler
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391377080

Die elektrochemische Druckimpedanzspektroskopie (electrochemical pressure impedance spectroscopy, EPIS) weist eine hohe Sensitivität auf Transportprozesse in elektrochemischen Zellen mit gasförmigen Reaktanten auf (Grübl, Bessler et al. 2016). Diese neuartige Analysetechnik basiert auf der Auswertung des dynamischen Verhaltens von Strom, Spannung und Druck, wobei bei unterschiedlichen Frequenzen (1 mHz bis 100 Hz) entweder der Strom angeregt und der Druck gemessen oder der Druck angeregt und die Spannung gemessen wird. Mit EPIS könnte die Fluiddynamik in Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen (PEMFC) mit hoher Genauigkeit charakterisiert werden. Der Gastransport in den Gasdiffusions- und Katalysatorschichten sowie der Abtransport von flüssigem Wasser haben einen hohen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit unter hoher Strombelastung. Die unterschiedlichen Transportvorgänge, deren Kopplung zu elektrochemischen Reaktionen, sowie deren Abhängigkeit von Temperatur und von Strukturparametern wie Porengrößen und -verteilungen erschweren das Verständnis und die Modellbildung. Mit konventionellen Techniken, insbesondere der Impedanzspektroskopie (EIS), sind unterschiedliche Transportvorgänge schwer voneinander zu unterscheiden und deren Signale können (teilweise) von Ladungstransferprozessen überlagert sein. Dem vorliegenden Projektantrag liegt die Hypothese zu Grunde, dass EPIS die Charakterisierung von Transportvorgängen in PEMFC deutlich unterstützen kann. Daher schlagen wir kombinierte experimentelle und modellbasierte Untersuchungen von EPIS für PEMFCs vor. Ein Einzelzellaufbau mit Druck- und Stromanregung wird vom CNRS (Université de Lorraine, Frankreich) entwickelt und aufgebaut. Ein dynamisches multiphysikalisches Modell wird an der Hochschule Offenburg (HSO, Deutschland) entwickelt und zur Datenanalyse eingesetzt.Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung der EPIS-Methode für die PEMFC-Diagnostik. Zudem wird erwartet, dass die Methode einen deutlichen Beitrag zu Verständnis, Charakterisierung und Quantifizierung von unterschiedlichen Transportvorgängen von Gasen und flüssigem Wasser leisten werden. Der Einsatz von kostengünstigen Komponenten zur Druckanregung (Lautsprecher) sowie Messtechnik (Drucksensoren) wird geprüft, um eine deutliche Kostenreduktion zu erzielen. Unsere Vision ist, dass EPIS komplementär zu EIS eine Standarddiagnosetechnik im täglichen Laboreinsatz werden kann, bei geringem zusätzlichem finanziellen und technischen Aufwand, aber deutlich erhöhtem Erkenntnisgewinn.Das auf drei Jahre ausgelegte Projekt ist eine Zusammenarbeit von zwei Partnern: das CNRS ist für den experimentellen Projektteil zuständig und die HSO für die Modellentwicklung und Datenauswertung. Die Arbeitspakete beinhalten eine Vorbereitungsphase für den experimentellen Aufbau sowie die Modellbildung; die Entwicklung von Mess- und Simulationswerkzeugen; die Interpretation der Ergebnisse; und die abschließende Bewertung der Diagnosemethode EPIS.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Francois Lapicque