Zusätzliche Langlebigkeit mit hoher Leistungsdichte senkt die Gesamtbetriebskosten

Die Entwicklung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie war ein großer Schritt in Richtung einer sauberen, kohlenstoffarmen Energiezukunft. Um sicherzustellen, dass Brennstoffzellen eine tragfähige Energielösung bleiben, muss ihre hohe Leistungsdichte mit langfristiger Haltbarkeit kombiniert werden, um ihre Gesamtbetriebskosten zu senken.

Seit mehr als 15 Jahren arbeitet Donaldson mit weltweit führenden Unternehmen zusammen, um hochentwickelte, mit expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) verstärkte Protonenaustauschermembranen auf den Markt zu bringen. Diese Arbeit hat zu Membranen geführt, die dünn, effizient und langlebig sind und einen geringen Widerstand für eine optimale Stromdichte bieten.

Wir wissen genau, wie sich die Eigenschaften von ePTFE - wie Dicke, Modul, Bruchfestigkeit und Anisotropie - auf die langfristige Haltbarkeit von Brennstoffzellenstapeln auswirken. Dank dieses Fachwissens können wir ePTFE--Produkte anbieten, die für ePTFE-verstärkte PEM-Verbundmembranen für Brennstoffstacks optimiert wurden – eine verbesserte Alternative zu unverstärkten PEM-Brennstoffzellenmembranen.

Wie eine Brennstoffzelle funktioniert

Die schematische Darstellung in Abbildung 1 zeigt eine generische Brennstoffzelle. Wasserstoff und Luft gelangen getrennt in die Anode und die Kathode und diffundieren in die Katalysatorschicht (Elektrode), wo eine elektrochemische Reaktion zur Stromerzeugung stattfindet. Zwischen Elektrode und Strömungskanal befindet sich in der Regel eine poröse Schicht (Gasdiffusionsschicht), um die Reaktanten gleichmäßig zu verteilen.

Die obige Gleichung zeigt die grundlegenden elektrochemischen Reaktionen für eine Protonenaustauschmembran (PEMFC). Während des Betriebs der Brennstoffzelle ermöglicht die Anode die Umwandlung von Brennstoff (z. B. Wasserstoff) in Elektronen und Protonen. Das erzeugte Proton durchdringt die Ionomerschicht der Membran, während die Elektronen gezwungen sind, durch einen externen Kreislauf zu fließen. Schließlich reagieren Protonen, Elektronen und Sauerstoff an der Kathode und bilden Wasser.

Katalysatorbeschichtete Membrane (CCM)

Eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM) ist eine entscheidende Komponente der PEMFC. Ein CCM besteht aus einer Anode, einer Kathode und einer Polymerelektrolytmembran-Ionomerschicht (z. B. perfluorierte Sulfonsäure), die als Elektrolyt dient. Anode und Kathode bestehen aus entsprechenden Katalysatorschichten und sind schichtförmig mit der PEM verbunden. Die elektrochemischen Reaktionen während des Brennstoffzellenbetriebs finden im CCM statt.

Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)

Die Hauptfunktionen der PEM in Brennstoffzellen sind die Trennung von Anoden- und Kathodengas, der Transport von Protonen, die Isolierung der Elektronen und die mechanische Unterstützung der Anoden- und Kathodenschicht.

Warum PEM-Verstärkung wichtig ist

Während des Betriebs der Brennstoffzelle quillt die PEM, wenn sie bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit Wasser aufnimmt, und schrumpft, wenn sie bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit Wasser verliert. Dieser wiederholte Quellungs-/Schrumpfungszyklus führt zu hohen mechanischen Spannungen in der PEM und anschließendem mechanischen Versagen.

Die Haltbarkeit und Langlebigkeit der PEM kann durch eine ePTFE-Verstärkung deutlich verbessert werden. Während des Quellungs-/Schrumpfungszyklus erzeugt die hohe mechanische Festigkeit und chemische Inertheit von ePTFE eine "Haltekraft", die die erzeugte Quellungs-/Schrumpfungskraft ausgleichen kann. Daher weisen ePTFE-verstärkte Membranen eine deutlich bessere mechanische Beständigkeit auf als dichte Membranen (unverstärkt).

In der Tat können die US DOE-Haltbarkeitsziele von 8.000 Stunden für leichte Nutzfahrzeuge und 30.00 Stunden für schwere Nutzfahrzeuge ohne eine technische PEM-Membran mit ePTFE-Verstärkung nicht erreicht werden.

Darüber hinaus können dünnere, hocheffiziente ePTFE-Membranen diese entscheidende Verstärkung bieten und gleichzeitig eine hohe Stromdichte aufrechterhalten, was eine geringere Anzahl von Zellen in einem Stapel ermöglicht und das Gesamtgewicht reduziert. Sie können dies tun, ohne Kompromisse bei Stärke, Leistung oder Energieerzeugung einzugehen.

Die Anwendung sollte die spezifische ePTFE-Struktur bestimmen

Die meisten Protonenaustauschermembranen müssen für jede spezifische Anwendung präzisionsgefertigt werden. Beispielsweise sind die Anforderungen für stationäre Brennstoffzellen im Vergleich zu leichten Nutzfahrzeugen und schweren Nutzfahrzeugen sehr unterschiedlich. Der Zugang zu einer breiten Palette von ePTFE-Strukturen, die als Verstärkung für PEM-Membranen verwendet werden, ermöglicht es OEMs daher, sowohl die erforderliche ePTFE-Verstärkung als auch die Chemie zur Optimierung der Brennstoffzellenleistung zu spezifizieren.

Um den vielfältigen Anforderungen der OEMs gerecht zu werden, hat Donaldson verschiedene Generationen von Membranen für unterschiedliche Anwendungen entwickelt. Unser Produktangebot bietet technische Konstruktionslösungen für jede dieser einzigartigen Anwendungen, wie unten dargestellt.

Die richtige Membrane macht den Unterschied

Das umfangreiche Portfolio von Donaldson an proprietären Tetratex® ePTFE-Membranen wurde in jahrzehntelanger Forschungs- und Entwicklungsarbeit entwickelt und erfüllt weiterhin die strengen Leistungsanforderungen der Industrie, während es gleichzeitig die Anforderung von OEMs an eine geringere Stapelgröße sowie geringere Gesamtbetriebskosten unterstützt. Tetratex wird ausschließlich von Donaldson hergestellt und vertrieben, wobei der Schwerpunkt auf einer qualitativ hochwertigen Fertigung und einem guten Kundenservice liegt, um eine gleichbleibende Versorgung und pünktliche Lieferung zu gewährleisten.

Durch das Angebot mehrerer ePTFE-Optionen, die eine Reihe von Spezifikationen und Anwendungen erfüllen, bietet Donaldson OEMs und Tier 1/Tier 2-Lieferanten:

• Dünne Membranen, die die Anforderungen für eine hohe Stromdichte unterstützen und gleichzeitig die mechanische Haltbarkeit des Stapels erhalten
• Reduzierte Stapelgröße und -gewicht
• Herausragende mechanische Beständigkeit und hohe Festigkeit für eine lange Nutzungsdauer
• Konstante, zuverlässige Leistung
• Flexibilität, um die ePTFE-Membran unabhängig von der Beschichtung spezifizieren zu können, sodass OEMs die optimale Membran-/Beschichtungslösung und nicht eine vordefinierte (nicht optimierte) Lösung wählen können