Ionenaustauschmembran
Die Ionenaustauschmembrane ist eine möglichst dünne Folie, die die beiden Medienpartner H2 und O2 effektiv voneinander trennen, Ionen aber so leicht wie möglich passieren lassen soll (Innenwiderstand). Eine dünne Folie ist allerdings mechanisch instabil und kann zu große Porositäten aufweisen. In vielen Fällen handelt es sich um eine Grundstruktur aus ePTFE, die entweder gestützt wird oder verstärkt (reinforced) ist.
Die Katalysatoren-Beschichtung auf der Anoden- und Kathodenseite basieren auf einer Kohlenstoffmischung mit winzigen Mengen an Elementen aus der Platingruppe (z.B. 0,1 mg/cm² Pt).
Schädigungsmechanismen in PEMFCs
1. Membran-Degradation
Die Polymermembran (PEM) ist anfällig für chemische und mechanische Degradationsprozesse, die zu einer Abnahme der Protonenleitfähigkeit und der Zellleistung führen können.
Ursachen:
- Oxidative Abbaureaktionen durch freie Radikale
- Hydrolyse durch Wasser
- mechanische Beanspruchung durch Druck und Temperaturwechsel
- Ermüdung durch Quellverhalten bei wiederholtem Austrocknen
2. Korrosion
Korrosion kann verschiedene Metallkomponenten in der PEMFC angreifen, wie z. B. die Bipolarplatten und die Stromkollektoren. Dies kann zu einem Verlust der elektrischen Leitfähigkeit, einer Schädigung der Katalysatoren in den Zellen und strukturellen Schäden führen.
Ursachen:
- Kontakt mit sauren Medien
- elektrochemische Korrosion
3. Wassermanagement
Ein unzureichendes Wassermanagement kann zu Überschwemmungen oder Austrocknung der Protonenaustausch-Membrane führen. Dies kann die Zellleistung und -lebensdauer beeinträchtigen.
Ursachen:
- Ungleichgewicht zwischen Wasserproduktion und -verbrauch
- unzureichende Gasdiffusion
4. Temperaturgradienten
Inhomogene Temperaturverteilungen in der PEMFC können zu thermischen Spannungen und Dehnungen führen. Durch den relativ geringen Wirkungsgrad der Umwandlung der chemischen Energie in elektrischen Strom erhitzt sich ein Brennstoffzellenstack unter Last. Dies kann die Membran und andere Komponenten beschädigen.
Ursachen:
- ungleichmäßige Verteilung der Wärmequellen
- unzureichende Kühlung
5. Katalysator-Degradation
Die Katalysatoren auf der Anode und Kathode spielen eine wichtige Rolle für die elektrochemischen Reaktionen in der PEMFC. Sie können durch verschiedene Faktoren „vergiftet“ werden. Folge ist eine verringerte Leistung der Zelle bis hin zum Totalausfall
Ursachen:
- Vergiftung durch Schwefelverbindungen und Kohlenmonoxid
- Vergiftung durch Kationen verschiedener Metallsalze
- Ausgeschwemmte Bestandteile und Abbauprodukte von Dichtungen, Folien oder Klebstoffen.
- Sinterung bei hohen Temperaturen (reduzierte Kontaktoberfläche)
- Ostwald-Reifung, bei der kleine Katalysatorpartikel zu größeren Partikeln zusammenwachsen
- Verunreinigungen im Luftstrom
Maßnahmen
Gegen alle diese Einflussfaktoren können spezifische Maßnahmen ergriffen werden. Den Feuchte-Haushalt reguliert man durch Humidifier, die thermische Belastung des Stack reduziert man durch geeignetes Thermomanagement und Korrosionsschäden bei metallischen Bipolarplatten vermeidet man durch die Aufbringung von korrosionsbeständigen Schichten. Durch den Einsatz von leistungsfähigen Polymeren erreicht man zudem eine besonders hohe Lebensdauer der Membran.
Um die Kosten eines Brennstoffzellen-Stack zu reduzieren, wurden in den vergangenen Jahren auch erhebliche Anstrengungen unternommen, den Gehalt an Katalysator-Metalle zu reduzieren. Im Prinzip reduziert man die Korngröße immer weiter, wodurch sich die nutzbare reaktive Oberfläche erhöht. Allerdings sind diese Katalysatoren sehr empfindlich gegenüber bestimmten Verbindungen, die sich anlagern und die Reaktivität reduzieren. Das bedeutet Leistungsverlust und ggf. sogar ein weitgehender Ausfall.
Reduktion der Zell-Leistung durch Katalysatorvergiftung
Die Vergiftung der CCM erfolgt sehr leicht durch ausgeschwemmte Bestandteile in der MEA. Die MEA (Membran-Elektroden-Einheit) ist die Gesamteinheit einer Zelle aus Bipolarplatte, Gasdiffusionsschicht, MPL, der CCM und dem Subframe (sofern einer verwendet wird). Jede dieser Materialschichten kann Bestandteile enthalten, die durch den steten Stoffstrom (Wasserstoff, Luft, Wasser) ausgeschwemmt werden können.
In einer PEM-Brennstoffzelle (PEM-Elektrolysezelle) sind Polymerverbindungen besonderen Belastungen ausgesetzt. Das gilt insbesondere in Verbindung mit polaren Medien wie Wasser. Die hohe Betriebstemperatur von fast 100 °C und die starke Polarität des Wassermoleküls belastet den verwendeten Kunststoff durch Hydrolyse. Dies kann zum Abbau der Polymerverbindungen und zur Bildung von schädlichen Abbauprodukten führen.
Hydrolysestabile Produkte für Abdichtung und Subframe von CMC
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, ist es wichtig, Hydrolyse-stabile Produkte für die Abdichtung (Schutz vor Crossover und Undichtigkeit des Stacks) und den Sub-Frame zu verwenden. CMC Klebetechnik bietet mit seinem Produkt CMC 61145 eine dünne, elektrisch isolierende Klebefolie an, die speziell für solche Anwendungen entwickelt wurde.
Stabilität des Spezialklebstoffs
Ausführliche Tests belegen die Stabilität des Spezialklebstoffs.
Der für die Kleberbeschichtung verwendete Spezialklebstoff hat sich in ausführlichen Tests als sehr stabil erwiesen. Die Tests umfassten die folgenden Bedingungen:
- Einlagerung unter starke Hydrolysebelastung
- Einlagerung in Lösemitteln (DMFC)
- Einlagerung in VE-Wasser mit einem sehr niedrigen pH-Wert
- Ziel der Tests war es, festzustellen, wie weit sich die Klebkraft abbaut und wie intensiv es zu einer Ausschwemmung von Ionen und anderen Abbauprodukten kommt. Die Ergebnisse der Tests zeigten, dass der Spezialklebstoff von CMC Klebetechnik eine sehr hohe Beständigkeit gegenüber hydrolytischer Belastung aufweist.
Vorteile
Vorteile des verwendeten Klebers und der Klebefolie CMC 61145:
- Dünn und elektrisch isolierend
- Speziell für Anwendungen mit hohen Temperaturen und polaren Medien entwickelt
- Sehr hohe hydrolysestabile Klebekraft
- Beständig gegen Lösemittel und VE-Wasser mit niedrigem pH-Wert
- Gute Haftung auf der Ionenaustausch-Membrane (z.B. ePTFE) und gute Abdichtung
Fazit
Die Klebefolie CMC 61145 von CMC Klebetechnik ist eine hervorragende Lösung für PEM-Brennstoffzellen oder PEM-Elektrolysezellen. Die hohe, hydrolysestabile Klebkraft des verwendeten Klebers und die Beständigkeit gegenüber Lösemitteln und VE-Wasser mit niedrigem pH-Wert machen den Kleber bestens geeignet für Brennstoffzellen-Anwendungen, die besonders langlebig sein müssen, wie z.B. in Elektrobussen, im Schwerlastverkehr oder für dezentrale Stromversorgungen. Anstelle der aus Preisgründen verwendeten PEN-Folie können auch Hydrolyse-stabilere Folie wie PPS, PEEK oder PVDF eingesetzt werden.
Kontakt
Bei Fragen wenden Sie sich bitte an:
Gerald Friederici, Anwendungstechnik
Tel.: +49 6233 872 356
E-Mail: friederici@cmc.de
Weitere Informationen
Weitere Informationen und Produkte für die Wasserstofftechnik finden Sie hier:
Datenblatt: CMC 61145 (deutsch)
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