Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von zwischen hydrophilem und hydrophobem Zustand magnetisch schaltbaren Schichten zur Verbesserung des Wassertransports in PEM-Brennstoffzellen (HYDROMAG)

Ziel dieses Vorhabens ist es, über magnetisch schaltbare Strukturen auf der mikroporösen Schicht (MPL) und / oder der Kathoden-Katalysatorschicht (CCL) das Wassertransportverhalten von PEMFC-Kathoden erstmals lokal einstellbar zu gestalten. Damit soll für unterschiedliche Betriebszustände (Stromdichte, Befeuchtung) jeweils ein verbesserter Wassertransport und damit eine bessere Leistung und höhere Lebensdauer der Zelle erreicht werden. Zu der hier angestrebten Lösung der Problematik des Wasserhaushalts sollen beschichtete Magnetit-Partikel aufgebracht werden, die durch ein angelegtes Magnetfeld aus einer ungeordneten in eine geordnete Struktur wechseln und so die Oberflächeneigenschaften zwischen hydrophil und hydrophob verändern.

Erstmalig wird eine Schaltbarkeit zwischen hydrophilem und hydrophobem Charakter des Gasdiffusionssystems (GDS) und / oder der CCL gegeben sein, die eine lokale, geeignete und schnelle Anpassung der Benetzbarkeit (bzw. des Kontaktwinkels) an die jeweiligen Betriebsbedingungen erlaubt. Dies wird jeweils sowohl für eine lokale als auch eine ganzflächige Modifikation untersucht.

Daraus ergeben sich folgende Vorteile für MEAs und PEM-Brennstoffzellen:

1. Verbesserter Wassertransport und bessere Leistung der Zelle

2. Erhöhte Lebensdauer aufgrund verbesserten Wassertransports

3. Vereinfachung von Brennstoffzellen-Systemen (da keine Befeuchter notwendig

4. Kostensenkung von Brennstoffzellen und -Systemen (Vereinfachung, Lebensdauer)

Wenn es innerhalb des Vorhabens gelingt, definiert schaltbare Schichten herzustellen, so bedeutet das einen großen Innovationssprung mit Wettbewerbsvorteilen für alle KMU, die bei der Herstellung von BZ-Komponenten (GDL, CCM, Membranen, GDE), wie auch bei der Fertigung kompletter BZ-Stacks involviert sind. Insbesondere Zulieferer für BZ-Fahrzeuge profitieren von der neu erworbenen Technologie, da gerade bei der mobilen Anwendung mit hoher Dynamik extreme Probleme im herkömmlichen Wassermanagement auftreten.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurden erfolgreich perfluorierte und sulfonsäurehaltige, also hydrophobe und hydrophile funktionelle Gruppen auf die Oberfläche der Magnetitpartikel anreagiert. Die ausgewählten funktionellen Gruppen sind ebenfalls an den Grenzflächen einer PEMFC enthalten und für die Anwendung geeignet. Die Magnetitpartikel weisen eine sehr hohe Beständigkeit auf.

Die modifizierten Magnetitpartikel konnten problemlos in einem etablierten Ultraschallsprühverfahren zur Herstellung von dünnen Katalysator-Schichten eingesetzt werden.

Die Magnetitpartikel können, wenn sie in einer typischen Katalysator-Dispersion eingesetzt werden während des Trocknungsvorgangs mittels eines externen Magnetfelds ausgerichtet werden. Dies zeichnet sich dadurch aus, dass die Partikel entlang der Magnetfeldlinien zusammengelagert werden. Die Ausrichtung der Magnetitpartikel ist fixiert sobald die Schicht einmal getrocknet ist. Zusätzlich zu potentiell zwischen hydrophilem und hydrophob schaltbaren Zuständen schaltbaren Oberflächen könnten derartige Dispersionen z.B. in Sensorfolien zur dauerhaften Dokumentation von Magnetfeldern eingesetzt werden.

Brennstoffzellen, bei denen die Katalysatorschichten mit den Magnetitpartikeln modifiziert wurden, wiesen keine beschleunigte Degradation auf. Ebenso konnten in ex-situ Versuchen keine Degradationen der Magnetitpartikel anhand der Freisetzung von Eisenionen verzeichnet werden.

Eine magnetische Schaltbarkeit des Benetzungsverhaltens von Oberflächen bzw. des Betriebsverhaltens von Brennstoffzellen durch die Zugabe der Magnetitpartikel in die Katalysatorschichten konnte nicht realisiert werden. Die Einsatzmöglichkeiten der Magnetitpartikel sind eher außerhalb der Steuerung des PEMFC-Betriebs wie z.B. im Bereich der Sensorfolien zu suchen.

In Ergänzung zu dem magnetisch schaltbaren Magnetit wurde Kaolin als elektrisch schaltbares Material untersucht. Kaolin hat den Betrieb einer PEMFC nicht signifikant beeinträcht.