Gasdiffusionslagen (GDL) sind Teil der Membran-Elektroden-Einheit und dienen der Verteilung der Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff von der Kanalstruktur der Bipolarplatte hin zur Katalysatorschicht. Außerdem gewährleistet die GDL die Leitung des elektrischen Stromes und die Abführung des entstehenden Produktwassers in umgekehrter Richtung und optimiert die Befeuchtung der Membran. GDL werden in jeder Einzelzelle zwischen Elektrode und Kanalstruktur der Bipolarplatte verspannt. Die Verspannung mit einer definierten Vorspannkraft wirkt sich direkt auf spezifische Eigenschaften einer GDL aus. Die GDL trägt zur Druckverteilung bei und nimmt die mechanische Belastung auf, um die gesamte Membran (inkl. Beschichtung) zu schützen.
Arten
GDL werden in drei grundsätzliche Arten unterschieden:
- Kohlenstofffaser-Papiere
- Kohlenstofffaser-Vließe
- Kohlenstofffaser-Gewebe
Die Arten von GDL lassen sich in den strukturellen Unterschieden feststellen. Die Herstellung der Kohlenstofffasern erfolgt meist über den Grundwerkstoff Polyacrylnitril (PAN). Ähnlich in der Herstellung ist für alle Arten die oxidative Stabilisierung sowie die thermischen Prozessschritte. Durch die variierende Faserverlegung sowie Faserverfestigung entstehen die typischen strukturellen Eigenschaften.
Eine Mikroporöse Schicht (MPL) zeichnet sich durch die kleinere Porengröße im Gegensatz zur GDL aus und kann an den Kontaktflächen hin zur Elektrode durch eine engmaschigere Oberflächentextur eine verbesserte elektrische Kontaktierung erzeugen. Ein weiterer Vorteil der MPL ist die positive Beeinflussung des Wasserhaushaltes und somit die Verbesserung der Membranleitfähigkeit.
Anforderungen
Die grundlegenden Anforderungen einer GDL sind:
- Hohe Porosität, um eine homogene Verteilung der Reaktionsmedien zu erzeugen; insbesondere über die Stegbereiche zu den Reaktionszonen der PEM
- Hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit
- Hoher Austrag von Produktwasser hin zur Kanalstruktur
- Verbesserung der mechanischen Stabilität des Einzelzellaufbaus
Ein Effekt der aufgebrachten Vorspannkraft kann ein Eindringen (Intrusionsverhalten) der GDL in die Kanalstruktur sein, womit ein Einfluss auf die Strömungsmechanik der Reaktionsmedien H2 und Luft (O2) hervorgerufen werden kann. Durch eine Verminderung des Strömungskanalquerschnittes wird die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle negativ beeinflusst. Weitere Einflussmöglichkeiten finden sich in den individuellen Eigenschaften wie zum Beispiel Porosität, Steifigkeit oder Kompressibilität der verwendeten GDL-Art.
Herausforderungen
Die zu vermeidende Alterung der GDL, welche durch chemische und mechanische Degradationsmechanismen verursacht wird, erhöht den elektrischen Widerstand mit zunehmender Betriebsdauer und senkt dadurch die Leistung. Aus diesem Grund liegt eine Herausforderung darin, den Einfluss von Degradationsmechanismen gering zu halten. Eine weitere Herausforderung besteht in der Optimierung des Wasserhaushalts innerhalb der GDL. Ein effektives Wassermanagement ist entscheidend, um die Protonenleitfähigkeit der Membran zu gewährleisten und gleichzeitig eine Flutung oder Austrocknung zu vermeiden. Eine unzureichende Wasserregulierung kann die Leistung der Brennstoffzelle erheblich beeinträchtigen. Die Entwicklung von derartigen, optimierten Lösungen für GDLs sind ein aktives Forschungsgebiet, um die Effizienz und Zuverlässigkeit von Brennstoffzellen zu steigern.
Literatur
[1] Hanno Butsch, „Entwicklung neuartiger Gasdiffusionslagen (GDL) und von Methoden zu deren Charakterisierung“. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, 2013.
[2] P. Kurzweil, Brennstoffzellentechnik: Grundlagen, Materialien, Anwendungen, Gaserzeugung, 3. Aufl. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2016. [Online].
