Untersuchung von in-situ beschleunigten Stresstest und ihre Auswirkungen auf Polymerelektrolytmembran Brennstoffzellenkomponente

Abstract

Die Polymerelektrolytmembran Brennstoffzelle (PEMBZ) ist eine vielversprechende Technologie für zukünftige Energielösungen. Besonders im Mobilitätssektor stellt die PEMBZ durch ihre lokale Emissionsfreiheit und ihre hohe Alltagseignung eine alternative zu Verbrennungsmotoren dar. Für die Kommerzialisierung der PEMBZ müssen jedoch die Produktionskosten gesenkt und die Haltbarkeit der Zellen erhöht werden. Eine Möglichkeit, um die Entwicklung von geeigneten Materialien voranzutreiben stellen dabei beschleunigte Stresstests (Accelerated Stress Tests, ASTs) dar. Diese sind kosten- und zeiteffizienter im Vergleich zu der realen Alterung von PEMBZ Komponenten. Durch die Identifizierung von Stressoren und die darauf aufbauende Entwicklung von ASTs sollen die zugrundeliegenden Degradationsmechanismen untersucht werden. Darüber hinaus sollen ASTs entwickelt werden, mit denen eine gezielte Degradation spezifischer Bauteile der PEMBZ möglich ist. In der vorliegenden Arbeit wurden drei in-situ AST-Protokolle durchgeführt und ihre Auswirkungen auf die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), bestehend aus Membran, Katalysatorschicht, und Gasdiffusionsschichten (GDL) untersucht. Die untersuchten Stressoren waren erhöhte Temperaturen und erhöhte Wasserproduktion. Für die elektrochemische Charakterisierung der Komponenten kamen U-I-Kennlinien, elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Cyclovoltammetrie (CV) zum Einsatz. Um die Auswirkungen der ASTs auf die einzelnen Komponenten zu untersuchen, wurden die degradierte katalysatorbeschichteten Membran (catalyst coated membrane, CCM) und die GDL zusammen mit neuen Komponenten separat analysiert. Anschließend wurden die Proben mit ex-situ Analysetechniken untersucht. Die ex-situ Charakterisierung der einzelnen Komponenten erfolgte durch Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) und Kontaktwinkelmessungen. Sowohl der AST mit erhöhter Temperatur wie auch der AST mit erhöhter Wasserproduktion wiesen eine Degradation der Komponenten auf. Der kombinierte AST, mit einer erhöhten Temperatur und einer erhöhten Wasserproduktion, zeigte dabei die höchste Performancedegradationsrate. Zudem lässt sich Schlussfolgern, dass durch erhöhte Temperaturen ein Anstieg des Transportwiderstands der Membran erfolgte. Durch die REM-Aufnahmen konnte eine erhöhte Ablösung der mikroporösen Schicht (MPL) bewirkt werden. Zudem wurde bei den AST mit erhöhter Wasserproduktion eine Reduzierung der Schichtdicke der katalytischen Schicht (CL) erkannt.