Neue Charakterisierungsmethoden für die Gasdiffusionslage in PEM-Brennstoffzellen vor dem Hintergrund produktionsprozessbedingter Materialschwankungen

Bach, Stephan Mathias; Stolten, Detlef; Palkovits, Regina

doi:1866-1793

Neue Charakterisierungsmethoden für die Gasdiffusionslage in PEM-Brennstoffzellen vor dem Hintergrund produktionsprozessbedingter Materialschwankungen = New characterization methods for the gas diffusion layer in PEM fuel cells

Bach, Stephan Mathias

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeStephan Mathias Bach

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2015

ISBN978-3-95806-088-3

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 286

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Druckausgabe: 2015. - Onlineausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor) ; Palkovits, Regina (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-07-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-061664
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540920/files/540920.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/540920/files/540920.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Diffusion (frei) ; Flutung (frei) ; Gasdiffusionslage (frei) ; Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; Kryo-REM (frei) ; Laserperforation (frei) ; Oberflächeneigenschaften (frei) ; PEM-Brennstoffzelle (frei) ; PEMFC (frei) ; Sauerstofftransportwiderstand (frei) ; Wassertransport (frei) ; cryo-SEM (frei) ; flooding (frei) ; fuel cell (frei) ; gas diffusion layer (frei) ; laser perforation (frei) ; oxygen transport resistance (frei) ; surface characterization (frei) ; water management (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
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 erstenSchritt ein Verfahren zur hochauflösenden Messung der Gasdiffusionslagenoberfläche entwickelt und zum Patent angemeldet. Mit diesem innovativen Messaufbau konnte diekompressionsabhängige 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 Widerständenentdeckt. 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 derCCM-MPL Grenzschicht zurückzuführen sind und durch die Messung des Sauerstofftransportwiderstandes in definierten Betriebspunkten vorhergesagt werden können.

Within the scope of the optimization of the gas diffusion layer production process, 12materials were made using the Design of Experiments method. The 12 cathode gas diffusionlayers have the same carbon fiber substrate and only differ in terms of process parametersfor impregnation and micro porous layer coating. During short stack testing at 40°C three ofthe materials unexpectedly lead to a loss of power of over 50 %, although standard ex-situcharacterization showed no significant difference between the 12 materials.The aim of this work was to study the production process induced material variation and todevelop new characterization methods to understand the cause of the power loss. In a firststep an optical high-resolution method was developed which characterizes the gas diffusionlayer roughness under compression as well as the camber of carbon fiber substrate into thechannel and the behavior of irregularities with increasing compression.Afterwards a method for measuring the oxygen transport resistance was validated andapplied on current gas diffusion layers. The results show that this method offers a costefficientway to forecast the performance of fuel cell stacks in normal operating points.Beside the known dry and wet oxygen transport resistance plateaus, an additional state ofunexpected high resistances was found. Further testing by means of kryo-SEM and laserperforation showed the presence of excessive liquid water in the CCM-MPL-interface at lowtemperature operating points. The application of these findings on the initial problem showthat the GDL induced power loss in short stacks at 40°C can be assigned to CCM-MPLinterface flooding, which can be predicted with the method for measuring the oxygentransport resistance.

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