BEPPEL – Bipolarplatten für Brennstoffzellen und Elektrolyseure

Laufzeit: 4/2017 - 3/2020
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) / Projektträger Jülich (PTJ) & NOW
Kooperationspartner: DLR-VE, Fraunhofer ICT, FZJ, ZBT GmbH, ZSW
Projektfokus:
Stromverlauf bei Anlegen einer Spannung von 0,8 V an zwei Proben eines unbeschichteten Edelstahls 316L.
© Fraunhofer ISE
Stromverlauf bei Anlegen einer Spannung von 0,8 V an zwei Proben eines unbeschichteten Edelstahls 316L.
Zyklovoltammetrie an Edelstahl 316L bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei Erhöhung der Temperatur wird der Transpassivierungspeak höher und verschiebt sich zu niedrigeren Potentialen.
© Fraunhofer ISE
Zyklovoltammetrie an Edelstahl 316L bei unterschiedlichen Temperaturen. Bei Erhöhung der Temperatur wird der Transpassivierungspeak höher und verschiebt sich zu niedrigeren Potentialen.
Zyklovoltammetrie an Edelstahl 316L mit unterschiedlichen Elektrolyten. Im Elektrolyten wurde im Vergleich zum Standard-Elektrolyten (0,001 M H2SO4 + 0,1 mg/l HF) die HF Konzentration erhöht. Dies erhöht deutlich den Transpassivierungspeak, verschiebt ihn aber nicht. Bei Potentialen direkt unterhalb des Transpassivierungspotentials ändert sich der Strom kaum. Bei noch niedrigeren Potentialen wird der Strom stärker negativ, was eine verstärkte Sauerstoffreduktion und Wasserstoffproduktion bedeutet.
© Fraunhofer ISE
Zyklovoltammetrie an Edelstahl 316L mit unterschiedlichen Elektrolyten. Im Elektrolyten wurde im Vergleich zum Standard-Elektrolyten (0,001 M H2SO4 + 0,1 mg/l HF) die HF Konzentration erhöht. Dies erhöht deutlich den Transpassivierungspeak, verschiebt ihn aber nicht. Bei Potentialen direkt unterhalb des Transpassivierungspotentials ändert sich der Strom kaum. Bei noch niedrigeren Potentialen wird der Strom stärker negativ, was eine verstärkte Sauerstoffreduktion und Wasserstoffproduktion bedeutet.

Ziel des Projektteils des Fraunhofer ISE ist die Entwicklung von Messverfahren zur Charakterisierung von metallischen Bipolarplatten (BPP). Besonders wichtig sind bei metallischen BPP der Kontaktwiderstand zur Gasdiffusionsschicht und die elektrochemische Korrosionsbeständigkeit, die durch potentiodynamische und potentiostatische Messungen untersucht wird. Die elektrochemischen Methoden werden durch Elementanalyse des Elektrolyten mit ICP-MS sowie REM/EDX Analysen der Oberfläche vor und nach Alterung der BPP ergänzt.

Für die Messung von Kontaktwiderständen wurde ein Messaufbau entwickelt, mit dem der Kontaktwiderstand zwischen BPP und GDL getrennt vom Bulk-Widerstand der GDL sehr zuverlässig gemessen werden kann. Auch elektrochemisch gealterte Proben können vermessen werden.

In vielen Fällen (und gerade bei guten Beschichtungen) kann der sog. »Korrosionsstrom« nicht bestimmt werden, da er von anderen Reaktionen überlagert wird. Trotzdem kann man aus den elektrochemischen Messergebnissen Aussagen über die Qualität der BPP treffen und verschiedene Beschichtungen vergleichen, wenn man verschiedene Messverfahren kombiniert. Die Elementanalyse des Elektrolyten nach potentiostatischen Messungen gibt Auskunft über gelöste Metalle und damit über Korrosion der verschiedenen Schichten. Dabei werden die BPP bei verschiedenen Potentialen gealtert: bei 0 V, was den Bedingungen an der Anode in der Brennstoffzelle entspricht, bei 0,8 V, was den Betrieb an der Kathode simuliert, und kurzzeitig bei 1,4 V, was bei Start-Stopp-Zyklen kurzzeitig auftreten kann. Mit REM/EDX wird die Oberfläche vor und nach der Alterung begutachtet und Defekte werden detektiert. Mit Hilfe von Cyclovoltammetrie wird untersucht, in welchem Potentialbereich die verschiedenen elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Die Veränderung der BPP, z.B. Bildung von Oxidschichten, wird bei der Messung des Kontaktwiderstandes sichtbar.

Kontaktwiderstand von beschichteten und unbeschichteten Bipolarplattenmaterialien.
© Fraunhofer ISE
Kontaktwiderstand von beschichteten und unbeschichteten Bipolarplattenmaterialien. Die Beschichtungen (ISE 1, ISE2 und ISE3) wurden am Fraunhofer ISE bereits vor diesem Projekt selbst entwickelt.