HyFuelPro – Charakterisierung und Modellierung einer Polymerelektrolytmembran (CCM)

Laufzeit: März 2013 - Februar 2015
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Eigenforschungsprojekt
Projektfokus:
© Foto Fraunhofer ISE

Abb. 1: Strom-Spannungskennlinien von eigenen CCMs im Vergleich zu einer kommerziellen CCM.

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Abb. 2: Proportionale Abhängigkeit der Pastenauftragsmenge von der Schablonendicke und Reproduzierbarkeit des manuellen Rakelverfahrens.

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Abb. 3: Modellansatz zur Simulation von Elektroden.

Das Herzstück einer Brennstoffzelle ist die Membranelektrodeneinheit. Sie besteht aus der beidseitig mit Elektroden beschichteten Polymerelektrolytmembran (CCM, d. h. catalyst coated membrane), den beidseitigen Gasdiffusionslagen (GDL), die ggf. noch mit einer mikroporösen Lage (MPL) beschichtet sind. In diesem Eigenforschungsprojekt des Fraunhofer ISE wurden die Kompetenzen aus der Produktionstechnik und der Brennstoffzellentechnik zusammengeführt und ein reproduzierbares Verfahren zur CCM-Herstellung am Institut entwickelt. Ziel dabei ist Komponentenherstellern, z. B. Katalysatorentwicklern, Entwicklungs- und Charakterisierungsdienstleistungen anzubieten sowie den Maschinen- und Anlagenbau in der Entwicklung von Produktionsverfahren zu unterstützen.

Nach Herstellung der Elektrodenpaste aus Katalysator, Katalysatorsupport, Ionomer und Lösemittel erfolgte die Beschichtung einer Dekalfolie im Rakelverfahren. Dabei konnte eine gute Reproduzierbarkeit des Beschichtungsprozesses erreicht werden. Die am Fraunhofer ISE selbst hergestellten CCMs zeigten bei ähnlichen Katalysatorbeladungen gute Leistungscharakteristika im Vergleich zu kommerziellen Standardkomponenten. Über den Projektverlauf konnten signifikante Verbesserungen durch Variation der Elektrodenpaste erzielt werden. Die Entwicklung der CCMs wurde durch eine Modellentwicklung begleitet, um die leistungsrelevanten Prozesse und deren Abhängigkeit von der Struktur der Katalysatorschicht zu untersuchen. Das Modell berücksichtigt die poröse Struktur der Elektrode mit dem Katalysator, Kohlenstoff als Katalysatorträger, einem vernetzten Nafionfilm, sowie flüssigem Wasser in der Pore. Das Modell ermöglicht Analysen der ortsaufgelösten Stromproduktion innerhalb der Elektrode in Abhängigkeit der Strukturparameter. Durch den Abgleich von in situ-Messdaten mit Modellergebnissen kann weiterhin auf strukturelle Eigenschaften geschlossen werden. Das Modell bildet somit die Grundlage für eine weitere Verbesserung des Herstellungsprozesses der Katalysatorschichten.