EX-SITU-BEWERTUNG DER KORROSIONS-BESTÄNDIGKEIT VON METALLISCHEN BIPOLARPLATTEN
Metallische Bipolarplatten (BPP) sind vielversprechend für PEM-Brennstoffzellen, da sie hohe Festigkeit, exzellente Leitfähigkeit und ein kompaktes Design bieten. Allerdings sind geeignete Metalle oft teuer. Günstigere Alternativen wie Edelstahl 316L korrodieren in der sauren, feuchten PEMFC-Umgebung, was zur Freisetzung von Metallionen führt, die Membran und Katalysator vergiften. Zudem erhöhen Oxidschichten den Kontaktwiderstand und verringern die Effizienz.
Die Entwicklung innovativer Beschichtungen ist daher essenziell, um Metallionenfreisetzung zu verhindern und gleichzeitig hohe elektrische Leitfähigkeit und chemische Stabilität zu gewährleisten. Mithilfe eines Drei-Elektroden-Messaufbaus kann die typische PEMFC-Umgebung simuliert werden. Die ex-situ Messung des Korrosionsstroms erfolgt durch elektrochemische Techniken wie potentiostatische und potentiodynamische Tests sowie elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS).
Während der potentiodynamischen Polarisation wird das Elektrodenpotenzial variiert, um das Korrosionspotenzial (E_corr) und die Korrosionsstromdichte (i_corr) mittels Tafel-Extrapolation zu bestimmen. Eine höhere Korrosionsstromdichte weist auf eine schnellere Degradation hin. Diese Methode bewertet die Eignung metallischer Substrate und Beschichtungen für PEMFC-Anwendungen.
Parallel dazu muss sichergestellt werden, dass die Korrosionsbeständigkeit der BPP nicht auf Kosten der elektrischen Leitfähigkeit geht. Dies wird mit einem kontrollierten Kompressionsaufbau geprüft, der eine ex-situ Messung des Interfacial Contact Resistance (ICR) zwischen Gasdiffusionslage (GDL) und BPP ermöglicht. Ein zweistufiges Protokoll trennt Volumen- und Kontaktwiderstandseffekte. Ein Gleichstrom wird durch die Probe geleitet, während separate Spannungssonden den Spannungsabfall messen. Wiederholte Messungen bei verschiedenen Kompressionsstufen zeigen, wie sich der Kontaktwiderstand mit Druck verändert. Niedrigere ICR-Werte bedeuten bessere elektrische Leitfähigkeit und optimierte Bipolarplatten-GDL-Schnittstelle.
Wirkungen und Effekte
Metallische Bipolarplatten sind eine skalierbare Lösung für PEM-Brennstoffzellen. Dennoch ist die Entwicklung hochwertiger Beschichtungen entscheidend, um hohe Leistung, Langlebigkeit und Effizienz sicherzustellen. Zusätzlich helfen Beschichtungen, den Interfacial Contact Resistance (ICR) zu reduzieren, indem sie die Bildung isolierender Oxidschichten verhindern und so einen effizienten Elektronentransfer zwischen der Bipolarplatte und der Gasdiffusionslage gewährleisten. Dies verbessert die elektrische Leitfähigkeit und steigert die Gesamteffizienz der Brennstoffzelle. Darüber hinaus erhöht eine gut entwickelte Beschichtung die Hydrophobie, wodurch das Wasser-Management erleichtert und Überflutungen innerhalb der Brennstoffzelle verhindert werden. Letztendlich verlängern Beschichtungen die Lebensdauer metallischer Bipolarplatten und tragen zur Zuverlässigkeit von PEMFC-Systemen bei.