Neue Charakterisierungsmethoden für die Gasdiffusionslage in PEM-Brennstoffzellen vor dem Hintergrund produktionsprozessbedingter Materialschwankungen
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Beschreibung
Im Rahmen einer Optimierung des Gasdiffusionslagen-Herstellungsprozesses mittels
statistischer Versuchsplanung wurden 12 Materialien hergestellt, die sich lediglich durch die
Veränderung von Beschichtungs- und Imprägnierungsparametern unterscheiden. Bei der
Charakterisierung der wichtigsten Materialeigenschaften konnten keine Auffälligkeiten
festgestellt werden. Dennoch führten drei der Materialien in 20-zelligen Brennstoffzellenstapeln
bei einem Betriebspunkt von 40°C zu Leistungsverlusten um bis zu 50 %.
Ziel dieser Arbeit war es, die produktionsprozessbedingten Materialschwankungen zu
untersuchen und neue Charakterisierungsmethoden zu entwickeln, die einen Rückschluss
auf die Ursache der geringeren Brennstoffzellenleistungen geben. Dabei wurde im ersten
Schritt ein Verfahren zur hochauflösenden Messung der Gasdiffusionslagenoberfläche
entwickelt und zum Patent angemeldet. Mit diesem innovativen Messaufbau konnte die
kompressionsabhängige Rauheit der mikroporösen Schicht, die Wölbung der Gasdiffusionslage
in den Kanal und einzelne Fehlstellen untersucht werden.
Anschließend wurde mittels der Validierung und Übertragung der Messung des Sauerstofftransportwiderstandes
eine Methode bereitgestellt, die es ermöglicht, frühzeitig und
kostengünstig den Einfluss der Gasdiffusionslage auf bestimmte Betriebspunkte im
Brennstoffzellenstapel vorherzusagen. Dabei wurde, neben den trockenen und gesättigten
Sauerstofftransportwiderständen, ein weiterer Zustand mit sehr hohen Widerständen
entdeckt. Durch weitere Experimente und Untersuchungen mittels kryo-REM und
Laserperforation konnte die Annahme bestätigt werden, dass flüssiges Wasser in der
Grenzschicht zwischen der kathodenseitigen Elektrode und der mikroporösen Schicht der
Gasdiffusionslage zu den hohen Sauerstofftransportwiderständen führt. Durch die
abschließende Übertragung der Erkenntnisse auf die Ausgangsproblematik konnte gezeigt
werden, dass die Leistungseinbrüche im Brennstoffzellenstapel bei 40°C auf das Fluten der
CCM-MPL Grenzschicht zurückzuführen sind und durch die Messung des
Sauerstofftransportwiderstandes in definierten Betriebspunkten vorhergesagt werden
können
Autor*in
Stephan Mathias Bach
Themen in »Neue Charakterisierungsmethoden für die Gasdiffusionslage in PEM-Brennstoffzellen vor dem Hintergrund produktionsprozessbedingter Materialschwankungen«
Brennstoffzellen Gasdiffusion PEM