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Entwicklung neuartiger Gasdiffusionslagen (GDL) und von Methoden zu deren Charakterisierung

Butsch, Hanno :
Entwicklung neuartiger Gasdiffusionslagen (GDL) und von Methoden zu deren Charakterisierung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung neuartiger Gasdiffusionslagen (GDL) und von Methoden zu deren Charakterisierung
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurde zum einen der Frage nachgegangen, wie eine GDL beschaffen sein muss, um den Ansprüchen einer kontinuierlichen Verarbeitung zu genügen und gleichzeitig optimierte mechanische Eigenschaften aufzuweisen. Nur wenn beide Ansprüche erfüllt sind, scheinen die Kostenziele der GDL für eine breite Markteinführung der Brennstoffzellentechnologie in Zukunft erreichbar zu sein [28,77]. Zum Anderen stellte sich die Frage nach angemessenen Charakterisierungsmethoden der mechanischen Eigenschaften. Hierbei wurden zum einen die Intrusion der GDL in den Gaskanal und der Kontaktwiderstand an der GDL/CCM-Grenzfläche als leistungsbestimmende Merkmale identifiziert. Sind diese beiden Werte bekannt, kann eine GDL über den gesamten Kanalquerschnitt elektrisch und thermisch charakterisiert werden. Dies bietet eine Grundlage für weiterführende Untersuchungen des Stofftransportes unter Berücksichtigung der inhomogenen Kompression. Im ersten Teil des 5. Kapitels (5.1 bis 5.5) wurden die benötigten Methoden zur Charakterisierung der GDL vorgestellt. Neben den Scher- und Differenzdruckmessungen, welche sich an bestehenden Methoden orientieren, sind hier die neu entwickelten Methoden der Intrusions- und Streifenmessung hervorzuheben. Die Intrusionsmessung besteht aus einer modifizierten, voll funktionsfähigen PEMFC. In die BPP wurden jeweils drei, gleichmäßig über die Zelle verteilte Fenster eingearbeitet, so dass es möglich wurde, durch die BPP auf die GDL zu blicken. Durch einen schräg eingeworfenen Linienlaser durch die Fenster auf die GDL, konnte die Verformung durch eine Kamera dargestellt werden. Weiterführend kann daraus die Intrusion der GDL in den Gaskanal berechnet werden. Bisherige Verfahren zur Messung der Intrusion untersuchten Querschnitte einer GDL, welche in einer Flowfield-Struktur eingeklemmt wurde, oder die Intrusion wurde unter Krafteintrag bestimmt (Messnadeln o. Ä.) [28,39,54]. Dabei wurde das Aufspringen der GDL an Schnittkanten bisher nicht berücksichtigt oder die Verfälschung der Ergebnisse durch die verwendeten Apparaturen vernachlässigt. Die in dieser Arbeit vorgestellte Methode kann diese Fehler von vornherein ausschließen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Generierung einer breiten Datenbasis durch diese Messung deutlich erleichtert wird und eine solide Auswertung ermöglicht. Zur Bestimmung des Kontaktwiderstandes an der GDL/CCM-Grenzfläche wurde die Streifenmessung entwickelt. Die GDL-Probe wird hierbei durch eine metallische Kanalstruktur auf zwanzig parallel angeordnete Streifenelektroden gedrückt. Durch Messung der Widerstände zwischen den einzelnen Elektroden konnte der Druckverlauf innerhalb des Gaskanals rekonstruiert werden. Durch die Kenntnis der herrschenden Anpressdrücke konnte in einem weiteren Schritt der Verlauf des Kontaktwiderstandes innerhalb des Kanals berechnet werden. Die Kanalgeometrien konnten durch einen Aufsteckmechanismus schnell ausgetauscht werden, so dass eine Untersuchung des Einflusses der Kanalgeometrie sehr einfach möglich wurde. In dieser Arbeit wurden Kanalbreiten von 1,1 mm, 1,5 mm und 2 mm untersucht. Die in dieser Arbeit neu entwickelten Methoden stellen gänzlich neue Ansätze zur Charakterisierung der GDL dar. Bisher gab es keine vergleichbaren Methoden zur Bestimmung der GDL-Intrusion in einem realen Zellaufbau bzw. zur Messung des Anpressdruckes und des Kontaktwiderstandes an der GDL/CCM-Grenzfläche. Im zweiten Teil des 5. Kapitels (5.6) wurden zunächst die wirtschaftlichen und technischen Aspekte und Rahmenbedingungen einer GDL-Entwicklung näher betrachtet. Des Weiteren wurden die möglichen Ansatzpunkte für eine Weiterentwicklung der GDL anhand des Herstellungsprozesses hergeleitet. Daraus resultierten zwei Designkonzepte, welche in praktischen Anlagenversuchen in unterschiedlichen Varianten hergestellt und näher untersucht wurden. Es stellte sich heraus, dass durch die neuen GDL-Designs deutliche Verbesserungen bezüglich der mechanischen Eigenschaften erzielt werden konnten. Aus den Designkonzepten wurde das unter mechanischen Gesichtspunkten beste Material ausgewählt, um im weiteren Verlauf dieser Arbeit im Vergleich zu anderen GDL-Typen genauer untersucht zu werden. Als Untersuchungsgegenstände wurden GDL der drei unterschiedlichen GDL-Typen (Gewebe, Papier und Vlies) ausgewählt und bezüglich ihres mechanischen Verhaltens bei inhomogener Kompression untersucht. Es zeigte sich, dass die bisherige Annahme, eine GDL über kontinuumsmechanische Ansätze modellieren zu können, nicht immer korrekt ist. Als Grundlage für eine mechanische Simulation des Anpressdruckes an der GDL/CCM-Grenzfläche wird weithin der Schermodul als ausschlaggebender Kennwert bezeichnet. Ein Vergleich der Schermoduln mit den tatsächlich herrschenden Anpressdrücken zeigte, dass diese nicht immer korrelieren. Die Ergebnisse der Streifenmessung wurden durch die Ergebnisse der in-situ Messungen weiter bestätigt. Folglich muss es noch andere, den Anpressdruck beeinflussende Effekte in der GDL-Struktur geben, welche nicht durch das Hooke’sche Gesetz berücksichtigt werden. Durch die Kenntnis des Anpressdruckes in der Mitte des Kanals konnten die Verhältnisse des elektrischen Bulkwiderstandes zum Kontaktwiderstand untersucht werden. Hierbei zeigte sich deutlich, dass der Kontaktwiderstand in allen Kanalbreiten der dominierende Part des Gesamtwiderstandes ist. Zukünftige GDL-Entwicklungen sollten sich demnach mehr auf die mechanischen Eigenschaften der GDL konzentrieren und diese unter Umständen durch eine Erhöhung des Bulkwiderstandes „erkaufen“. Der Vergleich des Druckverlustes mit der Intrusionstiefe der GDL in den Kanal zeigte, dass Intrusion nicht immer gleichbedeutend mit einem höheren Druckverlust ist. Der Einfluss der IP-Permeabilität ist sehr groß und dominiert in vielen Fällen gegenüber der Intrusionstiefe. Dieser Umstand sollte in zukünftigen GDL-Entwicklungen mit berücksichtigt werden, da dies einen größeren Designspielraum ermöglicht. Die hier vorgestellten Methoden könnten für weiterführende, strukturelle Modellierungsansätze, wie von Engelmayr et. al. vorgestellt [74], wertvolle Daten liefern. Fehlerhafte Ergebnisse bedingt durch kontinuumsmechanische Annahmen können so ausgeschlossen werden. Diese Herangehensweise verspricht ein tieferes Verständnis der inneren mechanischen Effekte von Vliesstoffen und könnte als Grundlage für gezielte GDL-Designs dienen. Doch auch so bieten die vorgestellten Methoden Möglichkeiten einer zielgerichteten Charakterisierung in zukünftigen Entwicklungsarbeiten sowie in der Qualitätssicherung bestehender Produktionen. Weiterführend sollten die Aufbauten zur Intrusionsmessung auch zur Beobachtung des lokalen Wasseraustrittes aus der GDL im realen Betrieb einer Brennstoffzelle genutzt werden, wie z. B. von Ous et. al. vorgeschlagen [59]. Durch unterschiedliche Anpressdrücke zwischen GDL und CCM könnte sich der Wasseraustritt aus der GDL in die Mitte hin verschieben. Dies würde folglich auch eine Verschiebung der Massentransportbegrenzung hin zu höheren Stromdichten bedeuten, da die lokalen Stromdichten gleichmäßiger über den Steg-Kanal Bereich verteilt sein müssten. Dadurch würde die Kondensation des Wassers innerhalb der GDL deutlich später einsetzen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This work investigates the question how a GDL has to be designed to satisfy the requirements of a continuous production process and at the same time to provide optimized mechanical properties. The cost targets of the GDL for a broad commercialization of fuel cells can only be achieved if these both requirements are fulfilled [28,77]. Furthermore, it is necessary to develop new methods for an adequate characterization of the mechanical properties of the GDL. For this purpose the intrusion of the GDL into the channel and the contact resistance at the GDL/CCM interface have been identified as crucial parameters for the cell performance. Every thermal and electrical property can be characterized if these two parameters are known. This would allow further investigations of the mass transfer effects with respect to the inhomogeneous compression of the GDL. In the first part of chapter 5 (5.1 till 5.5) the necessary methods to characterize a GDL were introduced. Besides the methods for the shear modulus and the differential pressure, which are leaned on existing set-ups, two new measurements for the intrusion and for the contact resistance at the GDL/CCM-interface have to be emphasized. A modified but fully functional PEMFC was used for the intrusion measurement. Three evenly spaced windows were introduced into the BPP, which allowed to have a free view from the outside of the cell directly on the GDL. Due to an angular projected laser beam, the deformation of the laser could be monitored by a digital camera. This deformation of the laser line allowed calculating the intrusion of the GDL into the gas channel. Former set-ups for determining the GDL intrusion investigated the cross-sectional area of a GDL which was clamped between two BPP structures or the measurement of the intrusion did imply a load on the GDL (Messnadeln o. Ä.) [28,39,54]. The burst of the GDL at the cross section of the introduced error by the measurement set-up haven’t been considered so far. The introduced set-up, which is presented in this work, can eliminate such errors right from the beginning. Furthermore, the presented measurement allows generating a broad data basis in a quit simple way, which allows a solid analysis of the data. In order to determine the contact resistance at the GDL/CCM interface the so called “Streifenmessung” was developed and introduced within this work. The new tool determines the spatially resolved contact pressure on the GDL side opposite to the flow-field/GDL interface which is relevant to good electrical contact between the GDL and the catalyst coated membrane (CCM) in a practical fuel cell setting. In a second step, using a fit function determined by separate two and four point resistance measurements, the method is extended to deliver spatially resolved contact resistance data. Due to an clip-on mechanism different channel structures could easily applied to the this measurement set-up, which allowed studying the influence of the channel structure on the contact resistance. Within this work channel widths of 1,1 mm, 1,5 mm and 2 mm were investigated. The two new presented methods to characterize a GDL are entirely new and haven’t been presented before. In the second part of chapter 5 (5.6) the economical and technical aspects and restrictions have been investigated. Furthermore, new design approaches have been developed with respect to the existing production process of the GDL. Two new design concepts have been chosen for production experiments and for further investigations. I could be shown that due to the new designs significant improvements of the e mechanical properties of the GDL were achieved. With respect to the mechanical properties the best material of the new design concepts was chosen for further investigation and comparison with other GDL types. The three basic GDL types (woven, non-woven and paper) were chosen to investigate the differences in behavior under inhomogeneous compression. The results of the new measurements revealed that assumptions of the continuum mechanics in order to describe a GDL are not always correct. Generally the shear modulus was assumed to be the dominant parameter to describe the contact pressure at the GDL/CCM interface. A comparison of the actual contact pressures at the GDL/CCM interface with the shear modulus showed that this does not correlated all the time. The results of the “Streifenmessuneg” were supported by the performances of the in-situ measurements. Thus, other effects within the GDL structure which are not recognized by Hooke’s law do influence the mechanical behavior of the GDL. Due to the knowledge of the contact pressure in the middle of the channel the ratio of the bulk resistance and the contact resistance can be investigated. It was clearly found that the contact resistance the dominant part of the overall resistance for all channel widths. Following these findings, future GDL developments should concentrate more on the mechanical behaviors of a GDL. This can even be bought, within limits, by an increased bulk resistance. By comparing the differential pressure with the intrusion, it was found that a higher intrusion does not always result in an higher differential pressure. The influence of the IP-premeability is very strong and does dominate most of the time against the intrusion of the GDL. Thi circumstance should be recognized in future developments, since this would give more space for the GDL design. The presented methods might deliver valuable data for structural modeling approtches as presented from Engelmayr et. al et. al. [74]. Incorrect results due to continuum mechanical assumptions could be excluded. This approach would open the way for a deeper understanding of the mechanical effects inside a GDL and could be of great benefit for new GDL designs. Nevertheless, the presented methods do allow a more focused characterization and are very helpful tools for the development of new GDL and the quality assurance of the existing production. The set-up for the intrusion meausrments could be continuative used for the investigation of the local water evolution at an operating PEMFC, as suggested by Ous et. al. [59]. The emergence of liquid water should be shifted more into the idle of the channel, due to the different contact pressures between the GDL and the CCM. Furthermore, this would affect the mass transport limitations as well and would shift this threshold to higher power densities, since the local current densities should be more equally distributed over the rip channel area. Thus, the condensation of water within the GDL would start significantly later.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Erneuerbare Energien
Date Deposited: 22 Apr 2013 08:34
Last Modified: 22 Apr 2013 08:34
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33370
Referees: Ensinger, Prof. Wolfgang and Roth, Prof. Christina and Donner, Prof. Wolfgang and Hoogers, Prof. Gregor
Refereed: 19 December 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3337
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