Advanced impedance study of polymer electrolyte membrane single cells by means of distribution of relaxation times

阴极 阳极 介电谱 电解质 极化(电化学) 气体扩散电极 分析化学(期刊) 化学 电化学 材料科学 电极 物理化学 色谱法 有机化学
作者
Marcel Heinzmann,André Weber,Ellen Ivers‐Tiffée
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:402: 24-33 被引量:153
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2018.09.004
摘要

Electrochemical impedance spectroscopy data of a polymer electrolyte membrane fuel cell are compiled across a wide range of operating conditions. In all cases, homogeneous operating conditions are applied over the entire cell area to set a clearly defined operating point and to derive unambiguous parameter dependencies. As a novelty, this diverse set of impedance spectra is deconvoluted by the distribution of relaxation times (DRT) method in the frequency range from 0.5 Hz to 60 kHz. In H2/air-operation five polarization contributions with different time constants are registered. The assignment to gas diffusion in the gas diffusion layer and catalyst layer, the oxygen reduction reaction at the Pt-catalyst and proton transport processes in the cathode catalyst layer is supported by a systematic analysis of parameter dependencies. Furthermore, DRT deconvolution in H2/H2-operation reveals three “new” anode contributions, usually hidden by the dominating cathode contributions. They are assigned to gas diffusion and hydrogen oxidation, including charge-transfer and proton transport in the anode catalyst layer. It is confirmed that the polarization contributions at the cathode side sum up to 96% for typical operating conditions, but the share changes to 80% cathode and 20% anode at low hydrogen partial pressure.
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