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

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