HYDROMAG

Forschungsthema

Entwicklung von zwischen hydrophilem und hydrophobem Zustand magnetisch schaltbaren Schichten zur Verbesserung des Wassertransports in PEM-Brennstoffzellen (HYDROMAG)

Forschungsziel

Ziel des Vorhaben HYDROMAG ist es, über magnetisch schaltbare Strukturen auf der mikroporösen Schicht (MPL) und / oder in der Kathoden-Katalysatorschicht (CCL) das Wassertransportverhalten von PEMFC-Kathoden erstmals lokal einstellbar zu gestalten. Damit soll für unterschiedliche Betriebszustände (Stromdichte, Befeuchtung) jeweils ein verbesserter Wassertransport und damit eine bessere Leistung und höhere Lebensdauer der Zelle erreicht werden. Die Schaltbarkeit wird durch den Einsatz von Magnetit-Partikeln realisiert. Diese reagieren auf äußere, magnetische Stimuli und prägen den Oberflächencharakter durch deren Beschichtung. Das verwendete System kann zwei Schaltzustände beschreiben (Abbildung 1): frei bewegliche Partikel bei Abwesenheit eines Magnetfeldes (H = 0) oder eine organisierte Ausrichtung der Partikel in einem Magnetfeld (H ≠ 0). Sind die Partikel mit einem stark hydrophoben Material beschichtet und ist der Untergrund hydrophil, organisieren sich die hydrophoben Partikel bei Anlegung eines Magnetfeldes entlang der Feldlinien und legen somit mehr Untergrund frei. Die Hydrophobie der Gesamtoberfläche sinkt dann.

Abbildung 1 Benetzbarkeit von mit hydrophoben Magnetitpartikeln beschichteten Oberflächen in Abhängigkeit der Magnetfeldstärke und dem Beladungsgrad Bild vergrößern

Stand der Technik - Problemstellung

PEMFC sind Niedertemperatur-Brennstoffzellen, die nur bis etwa 85 °C betrieben werden. Aufgrund der niedrigen Temperatur fällt ein Großteil des Reaktionsproduktes (Wasser) in flüssiger Form an. Um Benetzungs- und Flutungseffekte und damit Blockaden von Poren und Kanälen zu vermeiden, müssen die meisten Komponenten hydrophob sein. Die vollständige Abfuhr von Wasser bzw. Austrocknung der Zelle ist jedoch nicht erwünscht, da die Polymere nur dann leitfähig sind, wenn sie ausreichend Wasser enthalten. Durch eine schaltbare Hydrophobizität der Oberflächen könnte je nach Betriebspunkt überflüssiges Wasser auf Knopfdruck abgeführt oder zur Befeuchtung benötigtes Wasser stärker gebunden werden.

Beteiligte Forschungsstellen

  • Universität Paderborn, Coatings, Materials & Polymers
  • Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH

FÖRDERHINWEIS

Das Forschungsvorhaben wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Link zum Forschungsprojekt auf den Seiten des Instituts für Energie- und Umwelttechnik e.V.: https://www.iuta.de/vernetzung/igf-forschungsprojekte/aif-nummer/19818/