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Einflüsse der Gasdiffusionslage auf Leistungsdichte und Kosten der PEM-Brennstoffzelle

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Einflüsse der Gasdiffusionslage auf Leistungsdichte und Kosten der PEM-Brennstoffzelle

Jörg Kleemann (Unbekannter Einband, Deutsch)

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Beschreibung

Für den Einsatz im automobilen Antriebsstrang stellen Kosten und Leistungsdichte der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle entscheidende Schlüsselkriterien dar. Eine breite Kommerzialisierung dieser Technologie kann nur gelingen, sofern die Kosten der Brennstoffzelle auf ein konkurrenzfähiges Niveau gesenkt werden können. Als wesentliche Stellhebel dazu wurden in der vorliegenden Arbeit der Einsatz günstigerer Materialien und die Optimierung der flächenbezogenen Leistungsdichte des Brennstoffzellenstacks zur Minimierung des Materialbedarfs aufgezeigt. Dabei kommt der Gasdiffusionslage eine erhebliche Bedeutung zu. Beim Einsatz herstellungs- und verarbeitungstechnisch günstiger Rollmaterialien erschließt sich hier ein deutliches Kostenpotential. Mit noch größerer Bedeutung für die Kosten des Brennstoffzellenantriebes wurde gezeigt, dass besonders die Eigenschaften der Gasdiffusionslage die flächenbezogen Maximalleistungsdichte des Brennstoffzellenstacks wesentlich beeinflussen. Gerade die günstigen Rollmaterialien zeigten hier zu Beginn der Arbeit erhebliche Nachteile, die aus vorhandenen Materialdaten nicht erklärt werden konnten. Ziel der Arbeit ist es daher, ein weitergehendes Verständnis für den Leistungs- und damit auch Kosteneinfluss der Gasdiffusionslage zu generieren und auf dieser Basis die Zellleistung mit günstigen Rollmaterialien zu optimieren. Es konnte zunächst nachgewiesen werden, dass sich das mechanische Verhalten und der Kompressionszustand der Rollmaterialien in der Zelle erheblich von dem des nicht rollbaren Referenzmaterials unterscheiden. Durch die Entwicklung eines kontinuumsmechanischen Werkstoffmodells für die Diffusionslagenmaterialien und die Bestimmung der Werkstoffkenngrößen in eigens entwickelten Messverfahren wurden die Unterschiede im mechanischen Verhalten über eine strukturelle Simulation quantifizierbar. Für die rollbaren Materialien zeigte sich nur eine äußerst geringe Materialkompression im Bereich unter den Strömungsverteilerkanälen, der Pressdruck der Stege kann von diesen Materialien nur unzureichend in den Bereich der Kanäle übertragen werden. Im nächsten Schritt wurde der Einfluss des Kompressionszustandes auf die Transporteigenschaften des Gasdiffusionslagenmaterials untersucht. Dazu wurden spezifische Messverfahren zur Bestimmung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit in und durch die Materialebene, der elektrischen Kontaktwiderstände und der Diffusionseigenschaften, jeweils unter variablem Kompressionszustand, entwickelt. Es zeigte sich eine erhebliche Abnahme der elektrischen und thermischen Durchgangsleitfähigkeit sowie eine deutliche Zunahme des Kontaktwiderstandes bei geringer Kompression des Materials. Diese Verschlechterung der Transporteigenschaften mit entsprechendem Einfluss auf die Zellleistung war also auch in der Zelle in den schlecht komprimierten Materialbereichen unter den Flowfieldkanälen zu erwarten. Die ermittelten Transporteigenschaften in Abhängigkeit des Kompressionszustandes dienten als Eingangsgrößen für eine gekoppelte Finite-Elemente-Simulation, bei der Wärme-, Stromund Gastransport in der Gasdiffusionslage zunächst getrennt und schließlich auch in gegenseitiger Kopplung betrachtet wurden. Dabei wurden alle lokalen Transportkenngrößen als Funktion des modellierten lokalen Kompressionszustandes im Material über Steg- und Kanalverlauf ausgedrückt. Die Simulationsergebnisse bestätigten erheblich erhöhte elektrische Verluste im Bereich der Kanäle für die lokal schlecht komprimierten Rollmaterialien. Für die zudem schlechter wärmeleitfähigen rollbaren Materialien ergaben sich in diesem Bereich auch deutliche Temperaturgradienten zwischen Katalysatorschicht und Steg mit der Folge erhöhter Membranaustrocknung. Mit den verschiedenen Diffusionslagen zeigte sich im Vergleich von Simulationsergebnissen und experimentellen Polarisationsdaten eine gute Übereinstimmung, Leistungsunterschiede zwischen den Materialien konnten durch die Kombination aus physikalischer Simulation und detaillierter Materialcharakterisierung sehr zuverlässig vorhergesagt werden. Mithilfe der Simulationsergebnisse konnte zudem das Leistungspotential einer Optimierung der Kanal- /Stegstruktur der Strömungsverteilerplatte aufgezeigt werden, welches nachfolgend in einer angepassten Platte auch experimentell bestätigt werden konnte. So konnte mit den zu Beginn der Arbeit deutlich schlechteren Rollmaterialien ein Leistungsdichtezuwachs von bis zu 50% nachgewiesen und das ursprüngliche Niveau des Referenzmaterials sogar noch übertroffen werden. Entsprechend lässt sich daraus aufgrund der Materialeinsparung eine Kostensenkung von etwa 30% beim Brennstoffzellenstack ableiten. Damit ist ein wesentlicher Fortschritt im Verständnis des Gasdiffusionslageneinflusses auf die Leistungsdichte der PEM-Brennstoffzelle nachgewiesen, sowie zudem ein wichtiger Schritt bei der Optimierung der Leistungsdichte mit günstigeren Materialien gelungen. Weniger zeigen

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Produktinformationen

Technische Daten

Erscheinungsdatum

01.09.2012

Sprache

Deutsch

EAN

9783863872113

Herausgeber

Mensch & Buch

Sonderedition

Nein

Autor

Jörg Kleemann

Seitenanzahl

224

Einbandart

Unbekannter Einband

Schlagwörter

PEM-Brennstoffzelle, Zellleistungsdichte, Optimierung, Gasdiffusionslage, Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle

Warnhinweise und Sicherheitsinformationen

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