ESR-Untersuchung von Polymerdegradationsprozessen in Brennstoffzellen anhand von niedermolekularen Modellverbindungen und einer Miniaturbrennstoffzelle

Abstract

Im ersten Teil dieser Dissertation wurde das Degradationsverhalten von perfluorierten Polymerelektrolytmembranen anhand von niedermolekularen Modellverbindungen untersucht. In diesem Zusammenhang konnte das Absorptionsverhalten der Modellverbindungen, der verwendeten Radikalfänger und des Wasserstoffperoxids durch UV/VIS-Spektroskopie in Form von molaren dekadischen Extinktionskoeffizienten ermittelt werden. Um den Bezug zum laufenden Zellbetrieb herstellen zu können, wurden im zweiten Teil der Arbeit Messungen mit einer in der Arbeitsgruppe Roduner entwickelten Miniaturbrennstoffzelle durchgeführt. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Quantifizierung der Radikale in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen der Zelle. Hierbei sind insbesondere das Elektrodenpotenzial von Anode und Kathode sowie der Grad der Befeuchtung an der CCM (katalysatorbeschichtete Membran) entscheidend. In diesem Rahmen wurde auch der H2-Membrandurchtritt von der Anode zur Kathode untersucht, der durch die Gaspermeabilität der Membran und durch mechanische Beschädigungen (z. B. durch Lochbildung) zustande kommt. Weiterhin konnte der Bildungsmechanismus der H-Addukte DMPO/H und POBN/H mittels Deuterium-Isotopenexperimente und Zyklovoltammetrie aufgeklärt werden.

In the first part of this dissertation, radical degradation processes of low temperature perfluorinated proton exchange membranes are investigated with low molecular weight model compounds. Furthermore, the adsorption behavior of the model compounds, of the spin traps and of hydrogen peroxide was investigated using UV/VIS-spectroscopy. In order to establish a relation to running fuel cells, measurements were carried out with a miniature fuel cell. This method was invented in 2004 by Roduner and coworkers. The main focus of the present work was the radical quantification in dependence of the operating conditions of the cell. Thereby, the electrode potential of anode and cathode as well as the level of humidification at the CCM (catalyst-coated membrane) is essential. Additionally, the membrane permeation of H2 from the anode to the cathode was explored. In this context, the gas permeability and mechanical damages (e.g. pinholes) of the membrane material are important. Furthermore the formation mechanism of the H-adducts DMPO/H and POBN/H were clarified with deuterium isotopic experiments and cyclic voltammetry.