Eine große Zukunftsoption für die alternative Energieversorgung von Automobilen ist die Brennstoffzelle. Brennstoffzellen sind gegenüber Konkurrenztechnologien wie Akkus umso wettbewerbsfähiger und umweltfreundlicher, je mehr es gelingt, die Lebensdauer und die Effizienz zu erhöhen und gleichzeitig die Herstellkosten zu senken. Bei der Lösung der technischen Aufgaben und bei der Erreichung der Kostenziele spielen die Kernkomponenten der Brennstoffzelle und damit gerade auch die Gasdiffusionslage eine wesentliche Rolle.
Im „OptiGAA Projekt“ wurden folgende Entwicklungsthemen bearbeitet:
- Entwicklung eines weitgehenden Materialverständnisses für die Leistungseinflüsse der Gasdiffusionslage zusammen mit entsprechenden Simulationsund Charakterisierungsmethoden
- Entwicklung von GDL-Oberflächen, die auch dünne Membranen nicht schädigen und eine lange Lebensdauer der Brennstoffzelle gewährleisten
- Anpassung der Stofftransporteigenschaften an die gegebenen Betriebsbedingungen in der automobilen Anwendung entsprechend der erarbeiteten Spezifikation
- Optimierung der mechanischen Eigenschaften zur Minderung der Intrusion der GDL in die Gaskanäle des Strömungsfeldes sowie des Kontaktwiderstands von der GDL zur Katalysatorschicht zur effektiveren Nutzung des Katalysators.
„OptiGAA“ ist ein Gemeinschaftsprojekt der Freudenberg FCCT SE & Co. KG und der Daimler AG. Daimler lieferte die für die Entwicklung notwendigen konstruktiven Vorgaben, die Betriebsbedingungen der PEMFC, erarbeitete das notwendige Spezifikations- und Charakterisierungs-know-how und stellte die Anforderungen an die GDL zur Verbesserung der Betriebseigenschaften und der Wirtschaftlichkeit dar. Die Entwicklungsprodukte von Freudenberg wurden von Daimler sowohl ex-situ als auch in-situ bewertet. Anschließend wurden die Ergebnisse mit den erarbeiteten Simulationsberechnungen abgeglichen.
Freudenberg konnte durch die Entwicklung verbesserter Verfahren zur Herstellung der GDL das Membranschädigungspotenzial der GDL um 80 % reduzieren, was eine deutliche Steigerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle zur Folge hat. Mit dem Einsatz neuer Rohstoffe zur Imprägnierung und Beschichtung der GDL konnten sowohl die Stofftransporteigenschaften als auch die Kontaktwiderstände verbessert und Leistungssteigerungen von bis zu 30 % sowie ein robuster Betrieb der Brennstoffzelle erreicht werden.
Die mechanischen Eigenschaften der GDL ließen sich durch neue Faserrohstoffe und angepasste Herstellverfahren verbessern, sodass die versteiften GDL insbesondere bei breiten Gaskanälen zu einer Erhöhung der Zellleistung von bis zu 20 % führten. Die Entwicklungen waren sehr kosten- und zeitintensiv, da sie auf kontinuierlichen Fertigungsanlagen durchgeführt werden mussten. Auch zeigte sich, dass die neuen Beschichtungs- und Imprägnierstoffe eine Anpassung der bestehenden Fertigungsverfahren erforderlich machen. Im Projekt wurde die Erkenntnis gewonnen, dass die Mikrostruktur der GDL einen sehr großen Einfluss auf die Transporteigenschaften für die Reaktionsgase und von Wasser besitzt. Durch ein verbessertes Verständnis der Struktur- und Funktionsbeziehungen der GDL-Materialien lässt sich eine weitere Optimierung der GDL erreichen.
Förderkennzeichen
03BV105