Einfluss der klimatischen Fertigungsumgebung auf die Mechanik und Rissstrukturierung der elektrodenbeschichteten Membran einer PEM-Brennstoffzelle

Jülich / Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2019) [Buch, Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (IV, 141 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Aufgrund der Einführung des ersten europäischen Brennstoffzellenfahrzeugs durch die DaimlerAG hat der Produktionsprozess der Catalyst Coated Membrane (CCM) den Übergang von der Entwicklungsphase in die Serienphase vollzogen. Als integraler Bestandteil dieses Übergangssind die Analyse einer sich ändernden Klimaumgebung in der Fertigung sowie eine ungleichmäßige Bahnspannung des kontinuierlichen Produktionsprozesses die Motivation dieser Arbeit. Die Konstitution und die Konformation der Polymerkomponenten zweier verschiedener CCM-Systeme bestimmen deren mechanische Abhängigkeit von hygrothermalen Haupteffekten und Wechselwirkungen. Die Quantifizierung dieser hygrothermischen Abhängigkeiten erfolgt durch eine dynamisch-mechanische Analyse (DMA) auf der Grundlage eines nicht linearen Versuchsplans (DOE). Im ersten Schritt der Methodenentwicklung müssen die Probengeometrie, die Anregungsamplitude und die Aufheizrate des DMA-Messwerkzeugs an die viskoelastischen CCM-Systeme angepasst werden. Anschließend wird im zweiten Schritt ein Messprogramm an die Faktorstufenkombinationen des DOE angepasst. Infolgedessen zeigen die Speicher- und Verlustmoduln beider CCM-Systeme einen negativen Haupteffekt der Temperatur und einen positiven Haupteffekt der relativen Feuchtigkeit. Eine lineare Längenänderung des Referenz-CCM bis zu einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80% erfolgt temperaturunabhängig und wird durch die Literatur bestätigt. Zur Ableitung einer klimabedingten, maximalen Zugkraft auf die CCM wird ein Versuchsaufbaubestehend aus einer mechanischen und optischen Einheit in einer Klimakammer aufgebaut. Durch das mechanische Strecken von CCM-Proben entstehen Rissstrukturen, die durchdigitale Bildverarbeitung quantitativ ausgewertet werden können. In der entsprechenden Methodenentwicklung werden die Intensitätsspektren des Bildes, die Hoch- und Tiefpassfilterung sowie eine Schwellenwertsensitivität analysiert. Das negative Verhalten des Verlustmoduls aufgrund eines Temperaturanstiegs kann von beiden CCM-Systemen bestätigt werden. Die Entstehung von Rissen auf der Anoden- und Kathodenoberfläche sowie die nachfolgenden Phasen des Risswachstums unterliegen hygrothermischen Einflüssen. Somit nimmt die Rissinitiierung auf der Kathodenseite mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit ab, während sich die Rissinitiierung auf der Anodenseite mit zunehmender Temperatur zu höheren Dehnungen verschiebt. Insgesamt können maximale Zugkräfte durch die Verknüpfung von anodenseitigem Rissbeginn und thermisch abhängiger Kraftmessung abgeleitet werden. Aufgrund der quantitativen und qualitativen Ergebnisse eines mechanischen und elektrochemischen Degradationsprogramms können Risse auf der Elektrodenoberfläche in dieser Arbeit als "nützliches Werkzeug" betrachtet werden. Bis 8.000 Feuchtezyklen sind keine Rissstrukturen in der Membrangrenzschicht oder eine erhöhte Wasserstoffpermeation zu beobachten. Sogar eine Verschiebung des Massentransportverlusts zu höheren Stromdichten und eine Erhöhung der Leistungsdichte werden für die gestreckte MEA-Probe zu Beginn eines elektrochemischen Degradationsprogramms gezeigt.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Wienk-Borgert, Bernhard

Gutachterinnen und Gutachter

Stolten, Detlef
Lehnert, Werner Karl Josef

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-95806-428-7
  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-09723

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