Ressourceneffizienz – Entwicklung von Gasdiffusionsschichten für Polymer-Elekrolyt-Membran Brennstoffzellen auf Basis umweltfreundlicher und energiesparender Rohstoffe

Laufzeit: August 2015 - Dezember 2017
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg
Kooperationspartner: Deutsche Institute für Textil Forschung DITF Denkendorf, CHT Germany, Johns Manville Europe, NuCellSys
Projektfokus:
Polarisationskurve
© Fraunhofer ISE
Polarisationskurve (durchgezogene Linien) und Verlauf des Hochfrequenzwiderstandes (gestrichelt) bei überbefeuchteten Gasen (120% Relative Feuchte) der kommerziellen Referenz-GDL (SGL 25 BC) und einer hydrophobierten Kohlefaser GDL (SGL 35BA) mit fluorfreiem ISE-MPL
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Strom/Spannungskennlinie sowie Hochfrequenzwiderstand (HFR, gestrichelt) bei 15% Gas-Einlassfeuchte. Zelltemperatur: 80°C, Luft/Wasserstoff bei 2 barabs, 6/4 nl/min, 12 cm2 aktive Zellfläche. CCM mit 0,4/0,1 mgPtcm-2, Membran 18 µm
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Strom/Spannungskennlinie sowie Hochfrequenzwiderstand (HFR, gestrichelt) bei 100% Gas-Einlassfeuchte. Zelltemperatur: 80°C, Luft/Wasserstoff bei 2 barabs, 6/4 nl/min, 12 cm2 aktive Zellfläche. CCM mit 0,4/0,1 mgPtcm-2, Membran 18 µm

Es gilt, Brennstoffzellen von Anfang an unter dem Aspekt der umweltfreundlichen Herstellung zu gestalten und gleichzeitig durch die Verwendung kostengünstiger Materialien den Markteintritt zu erleichtern. Die in Brennstoffzellen verwendeten Gasdiffusionslagen werden aus elektrisch leitfähigen Kohlefasern hergestellt. Durch mehrfache Komprimierungs- und Karbonisierungsschritte von Polyacrylnitril-Fasern bei sehr hohen Temperaturen ist die Herstellung energieintensiv. Die Kohlefasern werden mit Fluorcarbonen zur Verstärkung der wasserabweisenden Eigenschaften ausgerüstet.

Im Projekt wurden Alternativen vorgeschlagen:

  • Für die Substitution der energieintensiven Kohlefasern wurden elektrisch leitfähige Systeme auf Basis von Glasfasern erprobt und entwickelt.
  • Die toxikologisch bedenklichen Fluorpolymere wurden durch alternative, umweltfreundliche Hydrophobausrüstungen ersetzt.

Entwicklung einer fluorfreien Mikroporösen Lage (MPL)

Es konnte eine MPL mit einem fluorfreien Hydrophobierungsmittel entwickelt werden. Beim Vergleich der Kennlinie einer mit dem fluorfreien ISE-MPL beschichteten Kohlefaser GDL (SGL 35BA) wird deutlich, dass selbst bei stark überbefeuchteten Betriebsbedingungen die Leistung der fluorfreien MPL einer kommerziellen MPL entspricht. Der niedrigere Hochfrequenzwiderstand deutet auf eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit des ISE-MPLs, möglicherweise auf Grund des niedrigeren Anteil an nicht leitfähigem Hydrophobierungsmittel im Vergleich zur SGL 26 BC hin (Abb. 1).

Optimierung der elektrischen Leitfähigkeit

Glasfasern sind elektrische Isolatoren. Hohe elektrische Leitfähigkeiten werden durch optimierte Kohlenstoffbeschichtungen erreicht. Nichtleitfähige Komponenten werden zur Stabilisierung und Wasserabweisung in die Beschichtung eingebracht. In unseren Untersuchungen zeigte sich, dass die Leitfähigkeit bei höheren Leitpartikelauflagen auf einen vom verwendeten Kohlenstoff unabhängigen Wert konvergiert und die maximal erreichbare Leitfähigkeit stark vom Stabilisatorgehalt abhängt. Es konnte die geforderte Leitfähigkeit von > 200 Sm-1 erreicht werden. Dabei blieben die Diffusionseigenschaften für die Reaktionsgase bei geeigneter Kombination aus verschiedenen Kohlenstoffen trotz der hohen Beschichtungs- und Füllgrade in einem akzeptablen Bereich. Es wurden Leistungskennwerte entsprechend kommerzieller Materialien erreicht (Abb. 2 und 3).