Entwicklung von Sinterpapier-GasDiffusionsLayern für bauraum-, fertigungs- und kostenoptimierte mobile Brennstoffzellen (SinterGDL)

Abstract

Brennstoffzellen gelten als Schlüsseltechnologie für klimafreundliche Mobilität in Pkw, Lkw, Bussen, Zügen und perspektivisch auch in der Schifffahrt. Damit sie sich im Massenmarkt durchsetzen, müssen jedoch drei zentrale Herausforderungen gelöst werden:

Verringerung von Baugröße und Gewicht, deutliche Senkung der Systemkosten, Steigerung der Lebensdauer auf z.B. rund 25.000 Betriebsstunden im Nutzfahrzeug.

Eine Schlüsselkomponente des Brennstoffzellenstapels ist die Gasdiffusionslage (Gas Diffusion Layer, GDL). Sie liegt zwischen Bipolarplatte und Elektrode und sorgt dafür, dass Wasserstoff, Luftsauerstoff, Wasser, Wärme und elektrischer Strom optimal transportiert werden. Der heutige Stand der Technik sind überwiegend GDLs aus graphitischen Materialien. Diese haben jedoch Nachteile:

sie sind spröde und können bereits beim Einbau brechen, ihre Herstellung ist vergleichsweise teuer, die Hydrophobizität (Wasserabweisung) ändert sich im Betrieb, was das Wassermanagement verschlechtert, die Lebensdauer des Gesamtsystems bleibt hinter den Zielvorgaben zurück, GDL und Bipolarplatte tragen einen hohen Anteil zu den Stackkosten bei.

Wissenschaftlich-technisch wird daher international an neuen GDL-Konzepten gearbeitet - etwa an flexibleren Kohlenstofffaserstrukturen oder porösen Metallkomponenten. Bisherige Ansätze zeigen zwar Potenzial (z.B. strukturierte Nickel-Separatormaterialien oder GDL/Flowfield-Kombinationen aus Graphen-Schaum), sind aber entweder materialseitig sehr teuer oder noch nicht auf großskalige, kostengünstige Produktion ausgelegt. An diese Situation knüpfte das Vorhaben "SinterGDL" an. Ziel war es, auf Basis der Sinterpapier-Technologie eine neuartige, vollständig metallische GDL zu entwickeln, die:

mechanisch robuster und prozesssicher montierbar ist, eine gezielt einstellbare Porenstruktur für Gas- und Wassertransport bietet, eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist, langfristig korrosionsbeständig und hydrophob bleibt, mit industriell etablierten, skalierbaren Verfahren (insbesondere Papierherstellung im Rolle-zu-Rolle-Prozess und nachfolgende Sinterung) wirtschaftlich gefertigt werden kann.

Darauf aufbauend sollte eine strukturierte SinterGDL mit integriertem Strömungsfeld entstehen, die in Kombination mit vereinfachten, additiv gefertigten metallischen Bipolarplatten zu kompakteren und kostengünstigeren Brennstoffzellenstapeln führt.