Appealing and economically viable electric vehicle offers are pivotal for transitioning global energy provision to renewables. In this context, fuel cell electric vehicles utilizing polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) emerge as a promising alternative to battery electric vehicles. However, commercialization of PEMFCs necessitates a reduction in production and development costs. This study aims to broaden the scope of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to accelerate fuel cell testing and reduce the associated development and production costs of PEMFCs. A novel, cost-effective setup for spatially resolved EIS within automotive-sized PEMFCs was developed, bridging theoretical simulations with practical fuel cell applications. The results reveal correlations between high current density regions and decreased proton resistance, which we attribute to elevated water production, with relative humidity playing a moderating role. Moreover, lowering the cathodic stoichiometry accentuates mass transport issues at the air outlet, while anodic stoichiometry influences performance only below a threshold value of 1.2. Notably, we report, for the first time, localized degradation patterns during PEMFC cold starts, attributing voltage degradation to carbon corrosion and ionomer degradation. Realistic temperature gradients during cold start cycling manifest in reduced current density and proton resistance in regions subject to the lowest temperatures. Emerging as fast and non-destructive quality testing strategies in PEMFC production, EIS conducted at low hydrogen concentration offers valuable insights into fuel cell processes. This study introduces a novel equivalent circuit model to analyze impedance spectra under low hydrogen partial pressures. The proposed model effectively characterizes impedance responses and explains the performance decline observed at reduced hydrogen concentrations. Specifically, reduced hydrogen availability at the anode introduces reaction losses, subsequently affecting potential changes and influencing cathode processes. These findings suggest that impedance spectroscopy at low hydrogen partial pressures could be a dependable fuel cell quality control tool. This investigation extends the understanding of EIS through spatially resolved analyses, local degradation phenomena, and the impact of reduced hydrogen concentrations. Collectively, this work showcases EIS as a cost-effective asset in development and production and its potential to advance PEMFC commercialization.      «

Appealing and economically viable electric vehicle offers are pivotal for transitioning global energy provision to renewables. In this context, fuel cell electric vehicles utilizing polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) emerge as a promising alternative to battery electric vehicles. However, commercialization of PEMFCs necessitates a reduction in production and development costs. This study aims to broaden the scope of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to accelerate fuel ce...     »

Attraktive und wirtschaftlich sinnvolle Angebote für Elektrofahrzeuge sind für die Umstellung der weltweiten Energieversorgung auf erneuerbare Energien von zentraler Bedeutung. In diesem Zusammenhang stellen Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge mit Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) eine vielversprechende Alternative zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen dar. Die Kommerzialisierung von PEMFCs erfordert jedoch eine Reduktion der Produktions- und Entwicklungskosten. Diese Studie zielt darauf ab, den Anwendungsbereich der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) zu erweitern, um Brennstoffzellentests zu beschleunigen und die damit verbundenen Entwicklungs- und Produktionskosten von PEMFCs zu senken. Es wurde ein neuartiger, kostengünstiger Aufbau für ortsaufgelöste EIS in PEMFCs für automobile Anwendungen entwickelt, der theoretische Simulationen mit praktischen Applikationen verbindet. Die Ergebnisse zeigen Korrelationen zwischen Regionen mit hoher Stromdichte und verringertem Protonenwiderstand, die wir auf eine erhöhte Wasserproduktion zurückführen. Die relative Luftfeuchtigkeit spielt dabei eine moderierende Rolle. Darüber hinaus akzentuiert eine niedrigere Kathoden-Stöchiometrie die Massentransportprobleme am Luftauslass, während die Anoden-Stöchiometrie die Leistung nur unterhalb eines Schwellenwerts von 1,2 beeinflusst. Insbesondere berichten wir zum ersten Mal über lokalisierte Degradationsmuster während des Kaltstarts von PEMFCs und führen den Spannungsabfall auf Kohlenstoffkorrosion und Ionomerabbau zurück. Realistische Temperaturgradienten während des Kaltstarts zeigen sich in reduzierter Stromdichte und Protonenwiderstand in den Regionen mit den niedrigsten Temperaturen. Als schnelle und zerstörungsfreie Qualitätsprüfungsstrategie in der PEMFC-Produktion bietet die EIS bei niedriger Wasserstoffkonzentration wertvolle Einblicke in Brennstoffzellenprozesse. In dieser Studie wird ein neuartiges Ersatzschaltbildmodell zur Analyse von Impedanzspektren bei niedrigen Wasserstoffpartialdrücken vorgestellt. Das vorgeschlagene Modell beschreibt präzise die Impedanzantwort und erklärt den Leistungsabfall, der bei niedrigen Wasserstoffkonzentrationen beobachtet wird. Insbesondere führt die verringerte Wasserstoffverfügbarkeit an der Anode zu Reaktionsverlusten, die sich in der Folge auf Potenzialänderungen auswirken und die Kathodenprozesse beeinflussen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Impedanzspektroskopie bei niedrigen Wasserstoffpartialdrücken ein zuverlässiges Instrument zur Qualitätskontrolle von Brennstoffzellen sein könnte. Diese Studie erweitert das Verständnis von EIS durch örtlich aufgelöste Analysen, lokale Degradationsphänomene und die Auswirkung von reduzierten Wasserstoffkonzentrationen. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass EIS ein kosteneffizientes Hilfsmittel für die Entwicklung und Produktion ist und das Potenzial hat, die Kommerzialisierung von PEMFCs voranzutreiben.     «

Attraktive und wirtschaftlich sinnvolle Angebote für Elektrofahrzeuge sind für die Umstellung der weltweiten Energieversorgung auf erneuerbare Energien von zentraler Bedeutung. In diesem Zusammenhang stellen Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge mit Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) eine vielversprechende Alternative zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen dar. Die Kommerzialisierung von PEMFCs erfordert jedoch eine Reduktion der Produktions- und Entwicklungskosten. Diese Studie zi...     »