Wir optimieren Brennstoffzellen in Bezug auf Leistung, Lebensdauer, Wirkungsgrad und Kompaktheit je nach Einsatzgebiet.

Unsere Entwicklungen zu Komponenten für Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) erstrecken sich von der Elektrode bis zu den Bipolarplatten und betreffen hauptsächlich Arbeiten zur Charakterisierung, zur Leistungsoptimierung sowie zur Standzeiterhöhung. Weiterer Fokus liegt auf der Entwicklung von Herstelltechniken, auf Struktur- und Oberflächencharakterisierungen von Materialien einschließlich der Abschätzung von Alterungsprozessen sowie auf Fehleranalysen.

Des Weiteren erfolgen experimentelle Untersuchungen zu neuen Funktionsmaterialien, zur Entwicklung neuer Konzepte für Elektroden, Membran-Elektroden-Anordnungen sowie zur Bestimmung der Beständigkeit von Dichtungen, Gasdiffusionslagen oder Bipolarplatten.

Ansprechpartner

Dr. Joachim Scholta
+49 (0)731 95 30-206
MEAs

// Optimierung von Membran-Elektroden-Anordnungen

Die Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bildet das Kernstück der Brennstoffzelle. Ihre Funktion wird bestimmt durch die ionenleitende Elektrolytmembran, den Katalysatorschichten auf Anoden- und Kathodenseite sowie Gasdiffusionslagen (GDL). Eine optimale Abstimmung dieser funktionalen Lagen ist von ausschlaggebender Bedeutung. Darüber hinaus ist die MEA Bestandteil des Dichtungskonzepts. Neben Leitfähigkeit und chemischer Stabilität sind auch die mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien bedeutsam.

Eine optimale Abstimmung der Eigenschaften der Elektrolytmembran, der Katalysatorschichten und der Gasdiffusionslagen ist von ausschlaggebender Bedeutung für die Erzielung hoher Leistungsdichten. Der Einsatz neuer Elektrolytmembranen bietet Chancen zur Verringerung des Innenwiderstands oder der Minimierung des Reaktandenübertritts zwischen Anode und Kathode. Ihr Einsatz in einer MEA erfordert aber häufig Anpassungen in der Zusammensetzung und Mikrostruktur der Katalysatorschichten und der Gasdiffusionslagen.

Im Fokus unserer Forschungs- und Entwicklungsarbeiten stehen alle genannten Themen zur Optimierung von MEAs.

Lesen Sie auch das Kapitel Katalysatoren.

// MEAs in PEM- und Direktmethanol-Brennstoffzellen

Für wasserstoffverzehrende PEM-Brennstoffzellen haben sich so genannten polymere, perfluorierte Sulfonsäure-Membranen (PFSA) durchgesetzt, deren Dicke mittlerweile auf < 18 µm gesunken ist. Für Alkoholbrennstoffzellen wie zum Beispiel Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) werden zusätzlich neue Polyaryl-Membranen untersucht.

Aktuelle Arbeiten konzentrieren sich auf die Minimierung des Widerstands und des Reaktandenübertritts. Die Gestaltung der Grenzfläche zwischen Elektrolytmembran und Elektrode, die Anpassung der Benetzungseigenschaften zwischen Katalysatorschicht und Gasdiffusionslage, die Optimierung der Stofftransporteigenschaften und die Anpassung der Betriebsbedingungen bieten Möglichkeiten die Leistungsdichte und Lebensdauer von MEAs zu steigern.

Katalysatoren

// Katalysatoren in PEM-Brennstoffzellen

Eine Grundvoraussetzung für hohe Aktivität und lange Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen ist die Stabilität der Edelmetall- und Trägerpartikel. Standard für den Einsatz in hochaktiven Elektroden für PEM-Brennstoffzellen bilden Edelmetall Nanopartikel abgeschieden auf porösen, säurestabilen und elektrisch leitfähigen Trägermaterialien.

Die höchsten Aktivitäten für die Sauerstoffreduktion werden für gewöhnlich mit Platinlegierungen (z.B. Pt/Co) auf einem hochoberflächigen Rußträger erzielt. Allerdings sind diese Materialien unter den Einsatzbedingungen der Brennstoffzelle nicht langzeitstabil. Der Einsatz graphitischer Trägermaterialien belegt mit reinen Platin-Nanopartikeln erhöht die Stabilität des Katalysators jedoch auf Kosten der Aktivität. Oxidische Trägermaterialien bieten ebenfalls Stabilität, weise jedoch eine vollständig andere Oberflächenchemie und in der Regel geringere elektrische Leitfähigkeiten als Kohlenstoff auf.

Vergleich der erreichten Partikelgröße und Reproduzierbarkeit verschiedener Präparationsverfahren zur Abscheidung von Platin-Nanopartikeln auf Vulcan-XC-72-Ruß.
Vergleich der erreichten Partikelgröße und Reproduzierbarkeit verschiedener Präparationsverfahren zur Abscheidung von Platin-Nanopartikeln auf Vulcan-XC-72-Ruß.

Ziel unserer Katalysatorentwicklung ist es, eine hohe Aktivität von rußgeträgerten Platinkatalysatoren auf korrosionsstabilen Trägermaterialien zu erhalten. Hierzu werden Nanopartikel aus Platin bzw. Platinlegierungen auf stabilisierten kohlenstoffhaltigen und kohlenstofffreien Trägermaterialien abgeschieden. Die Oberflächenchemie sowie die Porenstruktur des Trägermaterials spielen eine entscheidende Rolle bei der Auswahl der Synthesemethode und der jeweiligen Durchführung. Unser Arbeiten zeigen, dass sich für die Herstellung aktiver Katalysatoren auf oxidationsstabilen Trägern reduktive Verfahren mit Formaldeyd bzw. Polyolen, oder eine Herstelluing über Edelmetallperoxide bewähren.

Lesen Sie dazu auch das Kapitel MEAs.

 

 

Elektroden

// Entwicklung von Elektroden für PEM-Brennstoffzellen

Hochleistungselektroden für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) bestehen aus der Kombination einer Katalysatorschicht mit einer Gasdiffusionslage. Die Katalysatorschicht kann dabei primär auf einer Membran (CCM = catalyst coated membrane) oder der Gasdiffusionslage (GDE = gas diffusion electrode) angebracht werden.

Am ZSW können entsprechende Methoden zur Entwicklung von Katalysatorschichten angeboten werden. Zunächst bietet die Sprühbeschichtung ein flexibles Werkzeug zur Schichtentwicklung. Bei positiver Elektroden- und Materialevaluierung kann der Prozess auf Druckverfahren (Siebdruck, Tintenstrahldruck) oder andere, kontinuierliche Beschichtungsverfahren übertragen werden.

REM-Aufnahme einer beschichten Elektrode
REM-Aufnahme einer beschichten Elektrode
Schichtentwicklung mittels Sprühbeschichtung. Bild: ZSW
Schichtentwicklung mittels Sprühbeschichtung. Bild: ZSW

 

 

Wesentliche Elemente der Elektrodenentwicklung sind Untersuchungen zur

  • Zusammensetzung elektronische und ionische Leitfähigkeit

  • Porenverteilung

  • Benetzbarkeit der katalytisch aktiven Schicht sowie

  • Abstimmung Katalysatorschicht mit der Gasdiffusionslage.

Gasdiffusionsanlagen

// Charakterisierung von Gasdiffusionslagen

Gasdiffusionslagen (GDL) müssen für einen erfolgreichen Einsatz in Brennstoffzellen viele Aufgaben erfüllen: Neben der elektrischen und thermischen Kontaktierung und Stromableitung muss die GDL den Antransport der Reaktanden, in der Regel Wasserstoff und Luftsauerstoff, und den Abtransport des Produktwassers übernehmen. Zu diesem Zweck muss die Gasdiffusionslage bei hinreichender mechanischer Stabilität eine hohe Porosität sowie ein geeignetes Benetzungsverhalten für Flüssigwasser aufweisen.

Eine beispielhafte Methode zur Charakterisierung von Gasdiffusionselektroden und Gasverteilerstrukturen ist die Mikro-Computertomographie (µ-CT-Anlage). Damit können GDL-Strukturen auch unter komprimierten Zuständen einschließlich ihres Wasserhaushalts untersucht werden.

Zentraler Teil unseres in vielen Jahren aufgebautem Brennstoffzellen Know-Hows sind Auswahl und Ergebnisinterpretation unterschiedlicher Charakterisierungsmethoden.

GDL-Strukturaufnahmen mit Mikro-Computertomographie (µ-CT). Bild: ZSW
GDL-Strukturaufnahmen mit Mikro-Computertomographie (µ-CT). Bild: ZSW
Cross-section (tomogram) of a GDL with integrated microporous layer (MPL) for identification of free volume between fibres and binder material.
Cross-section (tomogram) of a GDL with integrated microporous layer (MPL) for identification of free volume between fibres and binder material. Source: ZSW/ECB

// Wassermanagement in Gasdiffusionslagen

Das Thema Wassermanagement von Gasdiffusionslagen ist zentrales Thema bei der Optimierung für den Einsatz in Brennstoffzellen. Am ZSW kann das Verhalten von Brennstoffzellen im Betrieb mit hoher Aussagekraft und relativ wenig Aufwand unter Einsatz radiographischer Methoden untersucht werden (in situ). Weiterhin sind wir darauf spezialisiert, die für den Wasserhaushalt relevanten Eigenschaften der Materialien auch außerhalb der Zelle (ex-situ) zu bestimmen. Hierzu werden Methoden zur Kontaktwinkel- und Elementverteilungsbestimmung sowie zur Bestimmung des Wassereindringverhaltens in eine GDL (Leverett-Funktion) verwendet.

Vertiefende Informationen zu unseren Untersuchungsmethoden finden Sie in den PDFs in der Downloadbox.

Bipolarplatten

// Bipolarplatten: Entwicklung und Charakterisierung

Die Geometrie von Bipolarplatten, einschließlich der darauf befindlichen Gasverteilerstrukturen ist von zentraler Bedeutung für Auslegung und Bau robuster und leistungsfähiger Brennstoffzellen. Neben dem Design von Brennstoffzellen, zu dem auch die konstruktive Auslegung der Bipolarplatte gehört, trägt die ex situ- und in situ-Charakterisierung von Bipolarplatten wesentlich zum Verständnis von Funktion und zur Optimierung bei. Neben den unten beschriebenen Untersuchungen zum Wasserhaushalt in Brennstoffzellen werden umfassende Untersuchungen zur mechanischen und elektrischen Charakterisierung durchgeführt.

Flowfield, CAD-Skizze Flowfield mit Gasverteilerstruktur
Contours of Water Saturation

// Wasserhaushalt in Gasverteilerkanaälen

Das Kondensataustragsverhalten von Gasverteilerkanälen in Bipolarplatten kann grundsätzlich in individuellen Versuchsanordnungen bestimmt werden. Diese erlauben jedoch keine vollständige Nachstellung des Brennstoffzellenbetriebs. Die Untersuchung mit neutronenradiographischer Methoden bietet hierfür eine herausragende Alternative zur Ermittlung der Kondensatverteilung innerhalb der Gasverteilerstruktur. Auf diese Weise kann ein direkter Zusammenhang der sichtbaren Wasserbewegung zur Art des Kondensataustrags hergestellt, und somit auf die Leistung der Brennstoffzelle geschlossen werden.

Weiterhin liegt umfassendes Know-How hinsichtlich der modellmäßigen Betrachtung des Kondensataustragsverhaltens (Austragskriterien, VOF-Modellierung, Interpretation) vor.

Lesen Sie auch die PDFs in der Infobox oder das Projekt "Modellierung von automotiven BZ-Komponenten".