Electrode degradation during a chemical/mechanical accelerated stress test of membranes in polymer electrolyte membrane fuel cells

Brennstoffzellen werden oft als die sauberen Motoren der Zukunft beschrieben – Geräte, die Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umwandeln, ohne etwas zu verbrennen oder Rauch auszustoßen. Im Inneren dieser Maschinen fungiert eine dünne, flexible Schicht namens Membran als das Herzstück des Betriebs. Diese Membran lässt winzige geladene Teilchen passieren, während sie die Brenngase voneinander getrennt hält – ein empfindliches Gleichgewicht, das aufrechterhalten werden muss, damit das Gerät funktioniert. Doch wie jedes mechanische Bauteil, das ständiger Belastung ausgesetzt ist, kann auch diese Membran verschleißen. In der realen Welt sind Brennstoffzellen wechselnder Luftfeuchtigkeit und Temperatur ausgesetzt, was dazu führt, dass die Membran wiederholt quillt und schrumpft. Um vorherzusagen, wie lange diese Geräte halten werden, nutzen Wissenschaftler beschleunigte Tests, die Jahre der Abnutzung in wenigen Wochen simulieren, indem sie die Membran schnellen Zyklen von Befeuchtung und Trocknung unterziehen, während sie auf einer spezifischen Spannung gehalten wird.

Jahrelang glaubten Forscher, dass diese spezifischen Tests darauf ausgelegt seien, lediglich die Haltbarkeit der Membran selbst zu messen. Die Annahme war, dass es für den Rest der Brennstoffzelle in Ordnung sei, wenn die Membran der Belastung standhielt. Ein Forschungsteam aus Südkorea, geleitet von Yejun Han und Kwonpil Park, beschloss, genauer hinzusehen, was mit den Metallkatalysatoren geschieht, die auf beiden Seiten dieser Membran sitzen, während dieser Tests. Sie wollten wissen, ob die harten Bedingungen, die zur Prüfung der Membran gedacht waren, auch die Elektroden – jene Teile, die für die Erzeugung des Stroms verantwortlich sind – stillschweigend beschädigten. Ihre Untersuchung enthüllte eine komplexere Geschichte: Der Test belastet nicht nur die Membran; er löst eine Kettenreaktion aus, bei der die Elektroden und die Membran gleichzeitig degradieren, was den Ausfall des gesamten Systems beschleunigt.

Die Forscher bauten eine Standard-Brennstoffzelle mit einer dünnen Membran und beschichteten die Elektroden mit Platin, einem Edelmetall, das als Katalysator dient, um die chemischen Reaktionen zu beschleunigen. Anschließend unterzogen sie diese Zelle sechs tausend Zyklen von Befeuchtung und Trocknung, einem Prozess, der extreme Umweltbelastungen simulieren soll. Während der ersten fünftausend Zyklen verhielt sich die Zelle auf eine vorhersehbare Weise. Die Spannung fluktuierte leicht, während die Membran Wasser aufnahm und wieder abgab, aber diese Änderungen waren reversibel, was bedeutete, dass sich die Zelle jedes Mal wieder erholte. Die Menge des verfügbaren Platins, das seine Aufgabe erfüllt, nahm langsam ab, und die Membran blieb weitgehend intakt. Es schien in dieser Phase, dass der Test wie erwartet verlief und die Membran der mechanischen Beanspruchung gut standhielt.

Sobald der Test jedoch die Marke von fünftausend Zyklen überschritt, änderte sich das Verhalten der Brennstoffzelle dramatisch. Die Spannungsschwankungen wurden permanent und schwerwiegend, was signalisierte, dass etwas Irreversibles geschehen war. Die Forscher fanden heraus, dass der Platin-Katalysator, der zuvor langsam degradiert war, schließlich seinen Bruchpunkt erreicht hatte. Die Metallpartikel, die ursprünglich winzige Sprenkel waren, begannen zu verklumpen und größer zu werden, wodurch sie effektiv ihre Fähigkeit verloren, effizient Elektrizität zu erzeugen. Kritischer noch war, dass ein Teil dieses Platins in die Membran selbst hineinlöste und wanderte. Als sich diese Metallpartikel im Inneren der Membran absetzten, erzeugten sie winzige, leitfähige Brücken, die Elektronen über die Barriere fließen ließen, wo sie eigentlich nicht hinführen sollten. Dieses Phänomen, bekannt als Kurzschluss, ist vergleichbar mit einem winzigen, internen elektrischen Fehler, der den beabsichtigten Pfad des Motors umgeht.

Die Beweise für diesen internen Kurzschluss waren frappierend. Die Forscher nutzten Wärmebildkameras, um die degradierte Brennstoffzelle zu untersuchen, und fanden spezifische Hotspots, an denen die Temperatur stark angestiegen war. Diese Hotspots korrespondierten exakt mit den Bereichen, in denen die Membran durch die leckenden Elektronen beeinträchtigt worden war. Das Vorhandensein dieser leitfähigen Pfade bedeutete, dass die Membran nicht mehr nur eine passive Barriere war; sie war zu einem Ort des aktiven elektrischen Versagens geworden. Das Wasserstoffgas, das getrennt gehalten werden sollte, begann in viel größeren Mengen durch die Membran zu wandern, was den chemischen Zerfall weiter beschleunigte. Der Test, der dazu gedacht war zu messen, wie lange die Membran halten kann, hatte unbeabsichtigt dazu geführt, dass die Elektroden zusammen mit der Membran degradierten, und diese gekoppelte Degradation hatte die Membran dann viel schneller zerstört, als sie es allein getan hätte.

Die Daten zeigten, dass bis zum Ende der sechståusend Zyklen die aktive Oberfläche des Platin-Katalysators um die Hälfte gesunken war und der Widerstand gegen elektrische Kurzschlüsse ein kritisches Tief erreicht hatte. Die Forscher beobachteten, dass sich die Rate, mit der der Katalysator degradierte, in den letzten tausend Zyklen verfünffacht hatte – eine starke Beschleunigung, die durch den eben erst geschaffenen Kurzschluss angetrieben wurde. Dieser Befund stellt die traditionelle Sichtweise darüber infrage, wie diese Haltbarkeitstests funktionieren. Er legt nahe, dass der OCV-Wet/Dry-Zyklus (OCV-Feucht/Trocken-Zyklus) kein Test der Membran in Isolation ist, sondern ein Test des gesamten Assemblies, das zusammenarbeitet. Die Degradation des Metallkatalysators und die mechanische Belastung der Membran sind in einem Teufelskreis miteinander verbunden, in dem ein Versagen das andere beschleunigt.

Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass das Standardprotokoll zur Bewertung der Haltbarkeit von Brennstoffzellen tatsächlich ein gekoppelter Test ist, der sowohl die Elektroden als auch die Membran gleichzeitig belastet. Die Forscher fanden heraus, dass die Membran nicht allein aufgrund der mechanischen Belastung versagte, sondern weil die Elektroden parallel dazu degradierten und leitfähige Pfade schufen, die die Zerstörung der Membran beschleunigten. Die Platinpartikel, die einmal gelöst und in der Membran neu abgelagert wurden, wirkten als Katalysatoren für den eigenen Zerfall der Membran. Dies bedeutet, dass Ingenieure, wenn sie Brennstoffzellen für den langfristigen Einsatz entwickeln, sich nicht einfach nur darauf konzentrieren können, die Membran widerstandsfähiger zu machen. Sie müssen auch sicherstellen, dass die Katalysatoren unter diesen spezifischen Belastungsbedingungen stabil bleiben, denn wenn der Katalysator versagt, wird die Membran folgen. Der Weg zu einer langlebigeren Brennstoffzelle liegt im Verständnis dieser komplizierten Beziehung zwischen den Metallkatalysatoren und der Polymermembran, statt sie als separate Komponenten zu behandeln.