Domino-Effekte

Test & Technik

Die - begrenzte Lebensdauer von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEFC) ist neben den Kosten ein wesentliches Hemmnis bei der Kommerzialisierung. Forscher wollen daher die Degradation der Materialien und Strukturen in den Zellen besser verstehen.

30. November 2009

Zahlreiche verschiedene Degradationsprozesse sind bekannt, etwa die Ablagerung und Anhäufung der Platin-Edelmetallkatalysatoren, Agglomeration genannt. Ein weiterer Degradationsprozess, der die Leistung und das Verhalten der Brennstoffzellen (BZ) beeinflusst, ist die Veränderung und der Abbau des Polytetrafluorethylens (PTFE). Diese Verbindung ist auch unter dem Handelsnamen Teflon bekannt.

PTFE ist ein stark wasserabweisendes (hydrophobes) Polymer, das in den Elektroden und den Gasdiffusionsschichten eingesetzt wird, um die hydrophoben Eigenschaften dieser Komponenten einzustellen und deren mechanische Stabilität zu verbessern.

Speziell bei BZ hilft der stark hydrophobe Charakter dabei, den Wasserhaushalt zu regulieren. Für die Protonenleitung der Membran ist eine Befeuchtung notwendig. Eine Änderung der Hydrophobizität der Elektroden und der Gasdiffusionsschichten führt daher auch zu einer Veränderung des Wasserhaushaltes in der Brennstoffzelle.

Einer der Schwerpunkte im Institut für Technische Thermodynamik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) liegt auf der Erforschung der Degradationsmechanismen in den BZ-Komponenten. Die Wissenschaftler interessiert, was bei der Degradation des PTFE in der Zelle passiert und welche Möglichkeiten es geben könnte, diese zu vermindern.

Die Untersuchungen ergaben, dass die Zellspannung mit der Zeit bei einer Belastung der Zelle mit einem konstanten Strom absinkt und damit die Zell-Leistung. Die Forscher vermuteten, dass durch Degradation des PTFE Wasser in sensible Bereiche der Zelle eindringt und dieser Vorgang die normalen Reaktionen behindert.

Um das zu beweisen, trockneten sie die Zelle mit einem speziellen Verfahren bis zu einem gewissen Grad ab. Das Ergebnis: Nach kurzen Unterbrechungen des Betriebes, bei denen die Zelle getrocknet wurde, erreichten sie beim Einschalten wieder eine deutlich höhere Leistung als vor dem Trocknen.

Dieses Verhalten deutete auf ein Wasserproblem in der Zelle hin. Mit der Röntgenphotoelektronenspektroskopie und der Infrarotspektroskopie wiesen die Wissenschaftler eine Veränderung des PTFE in der Gasdiffusionsschicht sowie in der Reaktionsschicht nach. Sie beobachteten in dem Polymer auch einen Fluorverlust, der die Zersetzung des PTFE aufzeigt.

PTFE-Degradation an der Anode verändert Wasserhaushalt

Dieses zersetzte sich besonders an der Oberfläche der Anodenreaktionsschicht und an der der anodenseitigen Gasdiffusionslage. Durch diese Veränderung nimmt die Hydrophobizität der BZ-Komponenten ab. Der Wasserhaushalt wird verändert. Die abnehmende Hydrophobizität führt zur stärkeren Flutung des Porensystems, wodurch die Zell-Leistung sinkt und aktive Bereiche mit Luft oder Wasserstoff unterversorgt werden.

Nach dem Trocknen ist das Porensystem für den Transport der Reaktionsgase wieder frei und man erhält eine höhere Zell-Leistung. Allerdings wird das Porensystem aufgrund der geringeren Hydrophobizität schneller wieder geflutet. Als Ergebnis bekamen die Wissenschaftler einen schneller werdenden Abfall der Zellspannung nach jedem Trocknen (siehe Grafik).

Ein weiteres Ergebnis: Durch PTFE-Degradation und abnehmende Hydrophobizität steigt das Risiko der Flutung von Bereichen in der Zelle. So werden nachfolgend auch andere Degradationsprozesse wie die Platinagglomeration beschleunigt. Dabei lagert sich Platin dann an der Kathode ab.

Das bessere Verständnis dieser Prozesse ermöglicht durch Parameteranpassung die Lebensdauer zu verlängern etwa durch Anpassung der Befeuchtungsgrade der Gase. So kommt es zu geringerer Degradation von PTFE und etwa Platin. Und letztendlich zum Ziel: Kostensenkung bei der Brennstoffzelle.

Erich Gülzow und Mathias Schulze (DLR)

Erschienen in Ausgabe: 04/2009