Seit Jahrzehnten forscht die Autobranche an Elektroantrieben, deren Strom aus mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen stammt. Innerhalb des Forschungsverbundes OPTIGAA 2 arbeiten wir daran, die Gasverteilerschichten mithilfe der Software GeoDict zu modellieren und Materialeigenschaften zu berechnen.

Optimierung der Gasdiffusionsschicht zum Einsatz in PEM-Brennstoffzellen

Modell einer Gasdiffussionsschicht
© Foto ITWM

Modell einer Gasdiffussionsschicht mit mikropo­röser Schicht.

Porosimetrie
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Porosimetrie – Simulation des Eindringens von Wasser in die Gasdiffusionsschicht.

Wasserstoff als alternativer Energieträger wird bei zunehmend dezentraler Energieversorgung und schwindenden Ölreserven in Zukunft eine immer größere Rolle spielen. Die im Wasserstoff gespeicherte Energie kann mithilfe von Brennstoffzellen in nutzbare elektrische Energie umgewandelt werden.

Vereinfacht gesprochen funktioniert eine solche Zelle wie folgt: Der zur Anode geführte molekulare Wasserstoff spaltet sich unter Abgabe von zwei Elektronen in H+-Ionen auf. Während die Elektronen über einen externen Stromkreislauf zur Energiegewinnung genutzt werden, diffundieren die H+-Protonen durch eine elektrolytische Membran zur Kathode. Dort reagieren die Protonen und die rücklaufenden Elektronen mit dem Sauerstoff der Luft zu Wasser.

Um die optimale Zufuhr von Sauerstoff zur Kathode und gleichzeitig den Abtransport des entstehenden Wassers zu garantieren, befindet sich zwischen Kathode und Luftzufuhrkanal eine sogenannte Gasdiffusionsschicht. Diese besteht in der Regel aus Karbonfaser-Vliesstoffen und einer mikroporösen Schicht aus Ruß. Durch Hydrophobisieren dieser Schicht wird für den Wasserabtransport gesorgt.

 

Forschungsverbund OPTIGAA 2  

Innerhalb des vom BMBF geförderten Forschungsverbundes OPTIGAA 2 arbeiten wir daran, Gasverteilerschichten mithilfe der Software GeoDict zu modellieren und Materialeigenschaften wie Strömungswiderstand und Diffusionswiderstand zu berechnen.

Insbesondere werden hierbei die Materialeigenschaften bei unterschiedlichen Wassersättigungen der Diffusionsschicht, wie sie auch im Betrieb der Brennstoffzelle vorkommen, untersucht. Mithilfe der Porenmorphologiemethode können diese sättigungsabhängigen Materialkenngrößen auf einfache und effiziente Weise bestimmt werden.