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Thorsten Derieth

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Dr.-Ing. Thorsten Derieth

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Permeation

Untersuchung der Gasdichtigkeit von Bipolarplatten, Dichtungsmaterialien und anderen Komponenten

Die Gasdichtheit von Bipolarplatten und ebenso die von Dichtungen ist eine sehr wichtige Eigenschaft für den Aufbau und Betrieb von Brennstoffzellenstacks. Durch Bipolarplatten oder Dichtungen permeierender Wasserstoff gelangt in die Umgebung, birgt somit Sicherheitsrisiken und ist nicht an der gewünschten elektrochemischen Reaktion beteiligt. Um die Permeationsrate quantifizieren zu können, wurde ein Teststand entwickelt, welcher in der Lage ist, unstrukturierte Feststoffe variabler Dicke hinsichtlich ihrer wasserstoffspezifischen Gasdurchlässigkeit zu untersuchen. Die Apparatur ist so ausgelegt, dass beliebig große Proben mit einem Mindestdurchmesser von 30 mm vermessen werden können.

Als Prüfobjekte kommen daher zum Beispiel folgende Komponenten in Frage:

  • Proben aus der Mini-Spritzgießmaschine
  • Einzelne Bereiche heißgepresster Bipolar-Platten
  • Metallfolien für die Herstellung von Bipolar-Platten
  • Strukturierte Proben mit unstrukturierten Randbereichen (ohne Durchlässe)
  • Membranen, Folien (tbc.)
  • Sonstige Probekörper, die konstruktionsbedingt keine Mediendurchlässe beinhalten.
  • Permeation
  • Permeation

Die konstruktive Gestaltung geschah mit Fokussierung auf kleinste Gasdurchlässigkeiten, welche auf dem Mechanismus der Permeation basieren. Dazu wird eine Seite der Probe mit Wasserstoff (H2) beaufschlagt und nach einem definierten Zeitraum der Konzentrationsanstieg in der gegenüberliegenden Kammer mit einem wasserstoffspezifischen Halbleitersensor bestimmt. Die ermittelten Konzentrationen in ppm können in gängige Permeationseinheiten umgerechnet werden.

Die Abbildung zeigt die exemplarische Untersuchung von unbearbeiteten Probenkörpern aus einem Compoundmaterial für Bipolarplatten: Bis zu einer Messzeit von 25 min. bzw. 40 ppm H2 ist ein linearer Verlauf auszumachen und somit von plausiblen Messergebnissen auszugehen. Die darüber hinaus gehenden Abweichungen sind auf den großen Abstand zum Kalibrierpunkt von 10 ppm zurückzuführen.

Die Betrachtung der Ergebnisse um den Kalibrierpunkt liefert Permeationsraten von 4 - 5*10-7 mbar*l/s, was per Definition im Bereich von Gasdichtheit bzw. Virendichtheit liegt und somit den Anforderungen der Brennstoffzelle genügt.

Teile der Arbeiten werden und wurden im Projekt "Entwicklung von Lebensdauerprognosemodellen von Brennstoffzellen in realen Anwendungen" durchgeführt. Das Vorhaben 03ET2007A (01/2011 - 06/2013) ist gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft (BMWi).

Last update:  11.03.2014