Untersuchung von Komponenten für Brennstoffzellen: GDL, Polymer-Membranen und Bipolarplatten auf nanometrischer Skala mittels AFM

Brennstoffzellenstacks bestehen aus der sogenannten Membran-Elektroden-Einheit (MEA), den an beiden Seiten angrenzenden Gasdiffusionschichten, geg. mit sogenannten Mikroporösen Grenzschichten (MPL) und den metallischen Bipolarplatten als Verbindung der einzelnen Zellen zum Stapel (Stack). Die MEA, das Herz der Brennstoffzelle, besteht aus dem Festelektrolyten, z. B. Nafion, und den beiden Elektroden, in denen die elektrochemischen Reaktionen ablaufen, die die nutzbare Potentialdifferenz erzeugen.

Neben der Messung der Leitfähigkeit im Kontakt-Modus werden zur Analyse der Oberfläche und ihrer chemisch–physikalischen  Eigenschaften zwei neue Techniken eingesetzt, beides im Tapping-Modus:

1. Mit dem „HarmoniX“-Mode können neben der Oberflächenstruktur auch die lokale Adhäsion, der Energieverlust die Phasendämpfung der Schwingung, die maximalen Kräfte sowie die Stiffness gemessen werden. Die Methode beruht auf der Berechnung der Lokalen Kraft-Abstandskurve mittels Fourier-Synthese der höheren harmonischen Schwingungen bei Anregung der Spitze für jeden Messpunkt des Bildes.

2. Im „QNM“-Mode wird der Probenhalter mit 2 kHz vibriert und daraus die mechanischen Eigenschaften ermittelt. Hier können Topografie, Adhäsion, Deformation und Stiffness mit hoher Auflösung gemessen werden. Die Verwendung einer leitfähigen AFM-Spitze ermöglicht zusätzlich die Messung der lokalen Leitfähigkeit.

Abbildung 1

Oberfläche, Phase, Adhäsion, Dissipation und Stiffness  einer im Rahmen eines studentischen Projekts hergestellten GDL, gemessen mit HarmoniX-Mode, Größe: (1 x 1) µm²

 

Elektrolyt Membran

Eine der wichtigsten Komponenten von PEM-Brennstoffzellen ist die Ionen leitende Festkörperelektrolyt-Membran, die  typischerweise  aus perfluorinierten Sulfonsäuren (am gebräuchlichsten Nafion (Dupont)) besteht. Für eine optimale Leistung sind eine hohe Ionenleitfähigkeit sowie eine homogene elektrochemische Aktivität über den gesamten Bereich der Membran erwünscht. Eine örtliche Ungleichverteilung von Spannung, Stromdichte, Temperatur und Gaszusammensetzung führt nicht nur zu einer verminderten Effizienz, sondern auch zu einer starken thermomechanischen Belastung der Materialien und wirkt sich daher auch negativ auf Zuverlässigkeit und Alterungsbeständigkeit der Zellen aus.

In Abbildung 2 sind Oberfläche und leitfähige Bereiche, gemessen im QMN-Mode mit leitfähiger Spitze, auf der Membran einer kommerziellen Halb-MEA der Firma Ion Power, (Nafion NR 112) abgebildet.

Abbildung 2

Oberflächen- und Strom-Bild einer Nafion NR 212 Membran (Ion Power, gemessen mit QNM bei 30 °C und RH=75 %, max. Strom I=200 nA bei U=1,2 V, Größe original: (3 x 3) µm²

Bipolarplatten

Bipolarplatten müssen elektrisch leitfähig sein und bestehen oft aus nichtrostendem Edelstahl. Das Korrosionsverhalten im Langzeitbetrieb ist ebenfalls von großer Bedeutung für die Lebensdauer. Die Auswertung der Oberflächenstruktur mit dem AFM erlaubt die Berechnung von rms-Werten zur Ermittlung der Rauhigkeit. Korrodierte Bipolarplatten weisen hierbei eine deutlich höhere Rauhigkeit auf als neue Proben vor dem Betrieb.

Abbildung 3

Bipolarplatte, links Oberfläche, rechts Phasenbild, Größe (5 x 5) µm²

 

Gasdiffusionsschicht (GDL)

Die Gasdiffusionsschichten grenzen an die Elektroden an, mit denen die Elektrolytmembran beschichtet ist. Ihre Aufgabe ist die Gasverteilung an die Elektroden, die Leitung des Stromes, der An- und Abtransport von Wasser an die Elektroden und die Membran, die Ableitung der Reaktionswärme und der Schutz der Elektrolytmembran vor mechanischen Beschädigungen. Sie bestehen vor allem aus Kohlenstoff und Teflon (PTFE) und haben eine poröse Struktur. Die Zugabe von PTFE dient der Hydrophobierung der inneren Kanäle und ist wichtig für den Wasserhaushalt und damit die Effizienz der Zellen. Eine Verminderung des PTFE Gehaltes im Betrieb der Brennstoffzelle verschlechtert deren Leistung und kann als Maß für die Degradation der Zelle herangezogen werden. Es wurden aus HarmoniX-Messungen statistische Auswertungen der Änderung von Adhäsion und Dissipation nach Betrieb als Maß für die Abnahme des PTFE Gehaltes an unterschiedlich betriebenen Brennstoffzellen durchgeführt.

Abbildung 4

Vergleich zweier mikroporöser Schichten (MPL) von Gasdiffusionssichten vor und nach Betrieb an Anode und Kathode sowie einer künstlich gealterten MPL, gemessen unter trockenen sowie unter nassen Bedingungen. Die Punkt sind mittlere Werte aus den Histogrammen der jeweiligen Messgrößen von 1 µm großen Bildern. Der grüne Punkt gibt die Referenzmessung an reinem (100%) PTFE an.

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