Untersuchung lasermodizierter Gasdiffusionsmaterialien für die Anwendung in PEM-Brennstoffzellen

Abstract

Zur Kommerzialisierung von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen sind eine höhere Leistungsfähigkeit, längere Lebensdauer sowie verringerte Kosten notwendig. Ein wichtiger Faktor ist dabei ein funktionierendes Wassermanagement, mit welchem sowohl die Leistungsdichte erhöht als auch die Lebensdauer verlängert werden kann. Ein optimales Wassermanagement sorgt für eine ausreichende Hydratisierung der Membran und gleichzeitigem Abtransport von flüssigem Wasser, um Massentransportlimitierungen durch verstopfte Poren zu vermeiden. Eine Schlüsselkomponente ist dabei die Gasdiffusionslage, eine poröse Schicht zwischen Elektroden und Gaskanälen, die für den Transport des Reaktionsgases zu den Elektroden sowie dem Abtransport von Produktwasser verantwortlich ist. In dieser Arbeit wird diese durch Laserstrahlung modifiziert, sodass Bereiche mit geringerer Hydrophobizität entstehen. Durch diese soll das flüssige Wasser gezielt von den Elektroden abtransportiert werden, damit das übrige Porensystem frei bleibt. Auf diese Weise sollen insgesamt die Massentransportlimitierungen verringert und damit die Performance der Zelle verbessert werden. In dieser Arbeit wird die mikroporöse Schicht von zwei verschiedenen Gasdiffusionslagen mit einem Laser modifiziert und mit physikalischen sowie elektrochemischen Charakterisierungsmethoden untersucht. In REM- und EDX-Aufnahmen zeigt sich, dass an der Oberfläche ein Kanal mit einer umgebenden Wärmeeinflusszone entsteht. Diese Wärmeeinflusszone weist eine verringerte Fluorkonzentration sowie eine erhöhte Sauerstoffkonzentration auf. Die Breite sowie Tiefe des bearbeiteten Bereichs hängen von der Belichtungszeit und damit auch von der Schreibgeschwindigkeit ab. Mit der Quecksilberporosimetrie ist kein Einfluss der Modifizierung auf die allgemeine Porenstruktur feststellbar. Einzelzelltests zeigen, dass der Einfluss der Lasermodifizierung neben der relativen Feuchte der Reaktionsgase entscheidend von der Materialkombination von Gasdiffusionslage und katalysatorbeschichteter Membran abhängen. Bei den zwei untersuchten Gasdiffusionslagen wird bei unterschiedlichen relativen Feuchten ein positiver Effekt durch die Modifikation festgestellt. Die Modifikation führt zu einer Performancesteigerung bei hohen Stromdichten. Mithilfe einer segmentierten Bipolarplatte wird zudem die Stromdichteverteilung analysiert. Es zeigt sich, dass die Homogenität ebenfalls durch die Modifikation verbessert werden kann. Zusätzlich wird mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie nachgewiesen, dass Massentransportlimitierungen verringert werden können. Ausgehend von den Beobachtungen werden die Einflüsse der Modifikation bewertet und Empfehlungen für gezielte Entwicklungen gegeben.