Analysis of Performance Limiting factors in H2-O2 Alkaline Membrane Fuel Cell

Khadke, Prashant Subhas

Alkalische-Membran-Brennstoffzellen (AMFCs), die ohne Flüssigelektrolyt betrieben, sind eine vielversprechenden Alternative zu Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFCs). Sie brauchen beispielsweise keine Edelmetall Katalysatoren für die Sauerstoff-Reduktion und die Wasserstoff-Oxidation. Obwohl die Leistungsdichte von AMFCs in den letzten Jahrzehnten um eine Größenordnung verbessert werden konnte, sind sie derzeit ungefähr halb so leistungsfähig wie herkömmliche PEMFCs, wenn Sie Platin/Kohlenstoff (Pt/C) als Katalysator an Anode und Kathode einsetzen und bei vergleichbaren Betriebsbedienungen genutzt werden. Es gibt zahlreiche Untersuchungen zu den Ursachen dieser geringen Leistungsfähigkeit von AMFCs. Dabei sind jedoch experimentelle Nachweise rar und eine systematische Analyse sämtlicher Einflussfaktoren auf die Verluste der Leistungsfähigkeit auf Brennstoffzellen-Ebene existiert bisher nicht. Gegenstand der bisherigen Untersuchungen sind vor allem die Beiträge des Stoffübergangs, der Kinetik und der ohmschen Verluste zum Gesamtverlust der Leistungsfähigkeit. Die Überspannung Verlust durch Massenübertragungsverluste in AMFC wird abgeschätzt durch die Bestimmung der einzelnen Grenzstrom und danach durch die Gesamtgrenzstrom. Im Wesentlichen wird sie, Grenzstromdichte aus den Transportwiderständen des Wassers von Strömungskanal zur Katalysator-Schicht und der Rücktransport von wasser von Anode zu Kathode durch die Membran bestimmt. Darauffolgend wird der Rücktransport von Wasser von Anode zu Kathode über den Fluss von Wasser durch die Membran bestimmt. Darüber hinaus, werden Diffusionskoeffizient, Löslichkeit und Permeabilität von Sauerstoff im Ionomer mittels Messungen an Rotierenden Scheibenelektrode (RDE) bestimmt. Die kinetischen Verluste werden identifiziert uber die abhängigkeit der kinetik parameter von Katalysator-Beladung, Diffusions-kontrollierter Grenzstromdichte und Sauerstoff-Konzentration durch RDE methode. Diese ergebnisse wurde benutzt, um kinetischen Verluste im AMFC zu extrahieren.Durch einer modifizierten Membran-Elektroden-Einheit (MEA), der ionische Widerstand von eine Katalysator-Schicht in der MEA bestimmt werden. Abschließend werden Stoffübergangs-, ohmsche und kinetische Verluste in AMFCs mit denen von PEMFCs verglichen. Die erzielten Resultate ergeben damit und erfolgreichen gezielte optimierung einen detaillierten Einblick in die derzeitigen Limitierungen der Leistungsfähigkeit von AMFCs.

Recent advances in development of the anion exchange membrane and ionomer have opened up the possibilities of constructing Alkaline Membrane Fuel Cells (AMFCs) which operate without liquid electrolyte. AMFCs are promising alternative over Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) as they allow the use of non-precious metal catalyst for oxygen reduction reaction and hydrogen oxidation reaction. Even though the power obtained by AMFC in the last decade has impressively improved by one order, the present best performance is about half that of PEMFC using Pt/C as anode and cathode catalyst at similar operating conditions. In literature the experimental evidence for potential cause of losses in AMFC performance is rare and the systematic quantification of all these losses at the fuel cell level is scarce. In this thesis, AMFC performance is systematically evaluated to find the performance limiting factors. The contribution of mass transfer, kinetic and ohmic loss to overall loss is quantitatively determined. The overpotential loss caused by mass transfer losses in AMFC is estimated by determining the individual limiting current and thereafter the overall limiting current. Primarily, the limiting current arising from transport of H2O from flow channels to catalyst layer is estimated and then the back transport of H2O from anode to cathode is determined by measuring the flux of H2O through membrane. In addition, diffusion coefficient, solubility and permeability of O2 in ionomer are determined using Rotating Disk Electrode (RDE) technique to evaluate the mass transfer losses associated with O2 transport through ionomer. The kinetic loss is identified by determining the dependency of kinetic parameters on catalyst loading, diffusion controlled limiting current and O2 concentration by RDE technique. These results were applied in AMFC to extract kinetic losses, after the contribution of anode and cathode over potential to the overall loss was determined by measurements of performance curves with various anode and cathode loadings Preparing a modified Membrane Electrode Assembly (MEA) and measuring the ionic resistance offered by the catalyst layer in modified MEA aided in identifying the overall ohmic loss. Finally the mass transfer, ohmic and kinetic losses in AMFC is compared with PEMFC and these results give an in-depth view of bottlenecks in the performance of AMFC and as such enable knowledge driven optimization.

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Khadke, Prashant Subhas: Analysis of Performance Limiting factors in H2-O2 Alkaline Membrane Fuel Cell. 2016.

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