Die Normal-Wasserstoffelektrode als Bezugselektrode in der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle:
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Jülich
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DIREKT-METHANOL-BRENNSTOFFZELLE VON DER FAKULTAET FUER MASCHINENWESEN DER
RHEINISCH-WESTFAELISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE AACHEN ZUR ERLANGUNG DES
AKADEMISCHEN GRADES EINES DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN GENEHMIGTE
DISSERTATION VORGELEGT VON DIPLOM-PHYSIKER MARKUS STAEHLER AUS LETMATHE,
JETZT ISERLOHN BERICHTER: UNIVERSITAETSPROFESSOR DR.-ING. D. STOLTEN
UNIVERSITAETSPROFESSOR DR. RER. NAT. W. SCHUHMANN TAG DER MUENDLICHEN
PRUEFUNG: 16. SEPTEMBER 2005 INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG UND
AUFGABENSTELLUNG 1 2 GRUNDLAGEN 3 2.1 ELEKTROCHEMISCHE GRUNDLAGEN 3
2.1.1 THERMODYNAMIK UND KINETIK 3 2.1.2 VERWENDETE ELEKTRODEN 6 2.2
FUNKTIONSPRINZIP DER DIREKT-METHANOL-BRENNSTOFFZELLE 8 2.3 EIGENSCHAFTEN
POROESER ELEKTRODEN 10 2.3.1 DAS AGGLOMERATMODELL 11 2.3.2 LOKALE UND
GLOBALE ELEKTRODENBETRACHTUNG 12 2.4 UNTERSUCHUNGSMETHODEN 13 2.4.1
SPANNUNGS-STROM-KENNLINIEN 14 2.4.2 TRANSIENTENMETHODEN 16 2.4.3
IMPEDANZSPEKTROSKOPIE 17 3 STAND DER FORSCHUNG 21 3.1
BEZUGSELEKTRODENMESSUNG 21 3.2 IMPEDANZMESSUNGEN AN EINZELELEKTRODEN 27
3.2.1 THEORIE ZUR IMPEDANZMESSUNG MIT BEZUGSELEKTRODEN 27 3.2.2
IMPEDANZMODELLE DER DIREKT-METHANOL-BRENNSTOFFZELLENELEKTRODEN 29 4
TESTSTAND-, METHODEN- UND MODELLENTWICKLUNG 33 4.1
MEMBRANBESCHICHTUNGSVERFAHREN 33 4.2 ENTWICKLUNG UND AUFBAU DER
TESTZELLE 39 4.3 BILANZIERUNG DES WASSERHAUSHALTES AN DER KATHODE 40 4.4
TESTSTANDENTWICKLUNG 43 4.4.1 AUFBAU UND FUNKTIONSWEISE DES TESTSTANDES
43 4.4.2 BETRIEBSPARAMETER, MESSGROESSEN UND DEREN UNGENAUIGKEITEN 44 4.5
AUTOMATISIERUNG DES TESTSTANDES 45 4.5.1 STEUERSOFTWARE 45 4.5.2
MESSPROTOKOLLE 46 VI 4.6 WEITERENTWICKLUNG DES ANODENIMPEDANZMODELLS 49
5 MESSERGEBNISSE UND DISKUSSION 57 5.1 STABILITAET DER
EINZELELEKTRODENSPANNUNGEN 57 5.1.1 EINFLUSS DER TEMPERATURREGELUNG 58
5.1.2 METHANOLPERMEATION UND WASSERAUSTRAG AN DER KATHODE 58 5.2
VALIDIERUNGTTER BEZUGSELEKTRODENMESSUNGEN 65 5.2.1 EINFLUSS DER
WASSERSTOFFBEFEUCHTUNG AUF DAS BEZUGSPOTENTIAL 65 5.2.2
VORWIDERSTANDSBESTIMMUNG DER ANODE 67 5.2.3 BEZUGSELEKTRODENMESSUNG UND
QUASI-HALBZELLENMESSUNG 72 5.2.4 QUALITAETSKRITERIUM FUER
BEZUGSELEKTRODENMESSUNGEN 74 5.3 EINFLUSS DER ZELLGEOMETRIE 75 6
ANALYSEMETHODE FUER DIE ANODENSPANNUNG 79 6.1 KENNZAHLEN EINER
AGGLOMERATELEKTRODE 79 6.2 QUANTIFIZIERUNG DER LEISTUNGSVERLUSTE 81 6.3
SENSITIVITAETSANALYSE 83 7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 87 8 ANHANG 89
8.1 NOMENKLATUR 89 8.2 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 4.3 91 8.2.1 BERECHNUNGEN
ZUM WASSERAUSTRAG 91 8.2.2 BERECHNUNGEN ZUR RELATIVEN FEUCHTE IM
KATHODENRAUM 92 8.3 ERGAENZUNGEN ZU KAPITEL 4.4 93
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DIE NORMAL-WASSERSTOFFELEKTRODE ALS BEZUGSELEKTRODE IN DER
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RHEINISCH-WESTFAELISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE AACHEN ZUR ERLANGUNG DES
AKADEMISCHEN GRADES EINES DOKTORS DER NATURWISSENSCHAFTEN GENEHMIGTE
DISSERTATION VORGELEGT VON DIPLOM-PHYSIKER MARKUS STAEHLER AUS LETMATHE,
JETZT ISERLOHN BERICHTER: UNIVERSITAETSPROFESSOR DR.-ING. D. STOLTEN
UNIVERSITAETSPROFESSOR DR. RER. NAT. W. SCHUHMANN TAG DER MUENDLICHEN
PRUEFUNG: 16. SEPTEMBER 2005 INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG UND
AUFGABENSTELLUNG 1 2 GRUNDLAGEN 3 2.1 ELEKTROCHEMISCHE GRUNDLAGEN 3
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3.2.1 THEORIE ZUR IMPEDANZMESSUNG MIT BEZUGSELEKTRODEN 27 3.2.2
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