Charakterisierung des Membrandegenerationswachstums in Brennstoffzellen mittels Röntgen-Computertomographie

Perfluorosulfonsäure-Ionomermembranen sind während des Betriebs von Brennstoffzellen gleichzeitig chemischen und mechanischen Zersetzungen ausgesetzt. Trotz der Bedeutung der Membrandauerhaftigkeit ist das Verständnis ihrer strukturellen Zersetzung und Versagensmodi durch herkömmliche 2D-Bildgebung erheblich eingeschränkt. In dieser Arbeit wird die nicht-invasive Mikro-Röntgen-Computertomographie (XCT) verwendet, um den 3D-Membranabbau in verschiedenen Lebensphasen während der kombinierten chemischen und mechanischen Zersetzung zu visualisieren. Eine detaillierte Untersuchung zeigt eine Schadensdichte von 6 bzw. 10 Rissen pro mm², die in den nahezu letzten und letzten Lebensphasen beobachtet wurden. Durchmesser der Membranrisse mit unverzweigten I-förmigen Rissen sowie Y- und X-förmigen Rissen mit jeweils einem und zwei Verzweigungen werden beobachtet. Die beobachtete Schadensentwicklung in jeder Lebensphase wird mit ergänzenden diagnostischen Daten, einschließlich Wasserstoffleckrate, Leerlaufspannung und Zugfestigkeit, korreliert. Insbesondere werden große X-förmige Risse, die aufgrund von Versprödung durch zugrunde liegende chemische Zersetzung entstehen, als kritisch für die letztendliche Versagensentwicklung erachtet, da sie große Wasserstoffleckagen begünstigen. Insgesamt vermittelt die umfassende 3D-Perspektive, die durch XCT ermöglicht wird, neues Wissen über den degradationsprozess und könnte auch auf andere Versagensmodi und Zersetzungsmechanismen von Brennstoffzellen ausgeweitet werden.