Einflüsse der zyklischen Frost-Tau-Wechselbelastung auf die Membran-Elektroden-Einheit in PEM-Brennstoffzellen
Das Gefrieren von Wasser innerhalb poröser Medien kann infolge der Eisbildung eine Änderung der Materialstruktur hervorrufen. Da bei PEMBZ nach dem Abschalten eine gewisse Restwassermenge insbesondere innerhalb der porösen MEA-Komponenten zurückbleibt, erfüllen diese die Voraussetzungen für eine mögliche Schädigung im Falle einer Frostbelastung. Dadurch kann es zu einer Beschleunigung der naturgemäßen Degradation der betroffenen Einzelmaterialien kommen und somit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle reduziert werden.
Aus den Vorgaben des US-amerikanischen Energieministeriums lässt sich ableiten, dass Brennstoffzellen und ihre Materialien ein wiederholtes Absenken auf Minustemperaturen von bis zu -40°C unbeschadet und ohne einen signifikanten Leistungsabfall überstehen sollten. Derzeit existiert jedoch kein allgemein anerkanntes Prüfverfahren, das eine Beurteilung der Frostbeständigkeit von PEMBZ bzw. ihrer Einzelkomponenten erlaubt. Aus diesem Grund finden sich in der Literatur zahlreiche Frostprüfungen mit zum Teil stark voneinander abweichenden Randbedingungen, was sich wiederum in einer großen Varianz
der Untersuchungsergebnisse widerspiegelt und die Ableitung der zugrunde liegenden Schadensmechanismen erschwert. Somit ist auf diesem Gebiet noch weiterer Forschungsbedarf gegeben.
Unter Berücksichtigung des aktuellen Theorie- und Forschungsstandes wurden in dieser Arbeit die Einflüsse einer zyklischen Frost-Tau-Wechselbelastung auf die Leistungsfähigkeit und Degradation von Membran-Elektroden-Einheiten und deren Einzelkomponenten untersucht. Das Ziel hierbei war ein besseres Verständnis über die frostinduzierten Schadensmechanismen und -phänomene zu gewinnen. Verwendet wurden dabei MEAMaterialien und Materialsysteme neuerer sowie älterer Generation. Diese wurden zunächst in ZBT-Standardstacks (1; 5 Zellen) verbaut und nach erfolgter Inbetriebnahme unter gleichen Randbedingungen einer wiederholen Frostbelastung in der Klimakammer unterzogen. Zur Beschleunigung der schädigenden Wirkung der frostinduzierten Einflüsse wurden die Parameter der Klimakammer so gewählt, dass ein Worst-Case-Szenario dargestellt werden konnte. Dabei sind in erster Linie eine Minimaltemperatur von -40°C
und eine langsame Abkühl-/Auftaurate von 10 K/h zu nennen. Die letztere begünstigt die Wassertransporte, während der FTW-Belastung wodurch größere Wasseransammlungen entstehen und somit infolge der Eisbildung stärkere Schädigung der MEA-Materialien zu erwarten ist. Zusätzlich, zur Sicherstellung einer maximalen Restwassermenge nach dem Abschalten der Stacks, wurde bewusst auf ein Spülen der Zellen mit trockenem Gas verzichtet, wodurch sich darin eine große Menge an Produktwasser gemäß der letzten Betriebstemperatur befindet. Die Bewertung der Auswirkung der FTW Belastung erfolgte mittels in situ Analyse der Stacks (UI-Kennlinie, CV, EIS) und der ex situ Analyse der MEAMaterialien (optisch, Hg-Porosimetrie). Um die frostinduzierten Schäden von den herstellungs- und betriebsbedingten Defekten trennen zu können, wurden neben der Untersuchung der Einzelmaterialien im Ausgangszustand auch die MEA-Komponenten aus den identisch aufgebauten und betriebenen, jedoch unbefrosteten Referenzstacks analysiert und bewertet.
Aus den Vorgaben des US-amerikanischen Energieministeriums lässt sich ableiten, dass Brennstoffzellen und ihre Materialien ein wiederholtes Absenken auf Minustemperaturen von bis zu -40°C unbeschadet und ohne einen signifikanten Leistungsabfall überstehen sollten. Derzeit existiert jedoch kein allgemein anerkanntes Prüfverfahren, das eine Beurteilung der Frostbeständigkeit von PEMBZ bzw. ihrer Einzelkomponenten erlaubt. Aus diesem Grund finden sich in der Literatur zahlreiche Frostprüfungen mit zum Teil stark voneinander abweichenden Randbedingungen, was sich wiederum in einer großen Varianz
der Untersuchungsergebnisse widerspiegelt und die Ableitung der zugrunde liegenden Schadensmechanismen erschwert. Somit ist auf diesem Gebiet noch weiterer Forschungsbedarf gegeben.
Unter Berücksichtigung des aktuellen Theorie- und Forschungsstandes wurden in dieser Arbeit die Einflüsse einer zyklischen Frost-Tau-Wechselbelastung auf die Leistungsfähigkeit und Degradation von Membran-Elektroden-Einheiten und deren Einzelkomponenten untersucht. Das Ziel hierbei war ein besseres Verständnis über die frostinduzierten Schadensmechanismen und -phänomene zu gewinnen. Verwendet wurden dabei MEAMaterialien und Materialsysteme neuerer sowie älterer Generation. Diese wurden zunächst in ZBT-Standardstacks (1; 5 Zellen) verbaut und nach erfolgter Inbetriebnahme unter gleichen Randbedingungen einer wiederholen Frostbelastung in der Klimakammer unterzogen. Zur Beschleunigung der schädigenden Wirkung der frostinduzierten Einflüsse wurden die Parameter der Klimakammer so gewählt, dass ein Worst-Case-Szenario dargestellt werden konnte. Dabei sind in erster Linie eine Minimaltemperatur von -40°C
und eine langsame Abkühl-/Auftaurate von 10 K/h zu nennen. Die letztere begünstigt die Wassertransporte, während der FTW-Belastung wodurch größere Wasseransammlungen entstehen und somit infolge der Eisbildung stärkere Schädigung der MEA-Materialien zu erwarten ist. Zusätzlich, zur Sicherstellung einer maximalen Restwassermenge nach dem Abschalten der Stacks, wurde bewusst auf ein Spülen der Zellen mit trockenem Gas verzichtet, wodurch sich darin eine große Menge an Produktwasser gemäß der letzten Betriebstemperatur befindet. Die Bewertung der Auswirkung der FTW Belastung erfolgte mittels in situ Analyse der Stacks (UI-Kennlinie, CV, EIS) und der ex situ Analyse der MEAMaterialien (optisch, Hg-Porosimetrie). Um die frostinduzierten Schäden von den herstellungs- und betriebsbedingten Defekten trennen zu können, wurden neben der Untersuchung der Einzelmaterialien im Ausgangszustand auch die MEA-Komponenten aus den identisch aufgebauten und betriebenen, jedoch unbefrosteten Referenzstacks analysiert und bewertet.