The gas diffusion layer (GDL) is one of the key components in a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. It performs several functions including the transport of reactant gases and product water to and from the catalyst layer, conduction of both electrons and heat produced in the catalyst layer, as well as mechanical support for the membrane. The overarching goal of this work is to thoroughly examine the GDL structure and properties for use in PEM fuel cells, and more specifically, to determine how to characterize the GDL experimentally ex-situ, to understand its performance in-situ, and to relate theory to performance through controlled experimentation. Thus, the impact of readily measured effective water vapor diffusivity on the performance of the GDL is investigated and shown to correlate to the wet limiting current density, as a surrogate of the oxygen diffusivity to which it is more directly related. The influence of microporous layer (MPL) design and construction on the fuel cell performance is studied and recommendations are made for optimal MPL designs for different operating conditions. A method for modifying the PTFE (Teflon) distribution within the GDL is proposed and the impact of distribution of PTFE in the GDL on fuel cell performance is studied. A method for characterizing the surface roughness of the GDL is developed and the impact of surface roughness on various ex-situ GDL properties is investigated. Finally, a detailed analysis of the physical structure and permeability of the GDL is provided and a theoretical model is proposed to predict both dry and wet gas flow within a GDL based on mercury intrusion porosimetry and porometry data. It is hoped that this work will contribute to an improved understanding of the functioning and structure of the GDL and hence advance PEM fuel cell technology.

Aufgrund des weltweit steigenden Energiebedarfs, dessen Deckung derzeit größtenteils auf fossilen Brennstoffen basiert, ist es nötig geworden, die Entwicklung alternativer Möglichkeiten zur Erzeugung von Elektroenergie als Primärenergie voranzutreiben. Eine dieser alternativen Möglichkeiten ist die Brennstoffezellentechnologie, welche sowohl in stationären als auch mobilen Anwendungen zum Einsatz kommen kann. Ihrer weitreichenden Verbreitung stehen bislang die aufgrund des großen Fertigungsaufwandes hohen Herstellungskosten der benötigten Komponenten im Wege. Hierzu zählen die Gasdiffusionslagen des weit verbreiteten Typs der wasserstoffbetriebenen Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Es treten zwischen den einzelnen Fertigungsschritten im Herstellungsprozess dieser Gasdiffusionslagen Wechselwirkungen auf, die zu unerwünschten Materialveränderungen führen. Die Ursachen dieser Wechselwirkungen sind nicht vollends verstanden. Eine Vertiefung des Verständnisses der Herstellungsprozesse soll die Grundlage für eine Optimierung der Prozessführung bilden. Es sollen eine Kostenreduktion sowie eine Leistungssteigerung der Gasdiffusionslagen ermöglicht werden.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 5 2.1 Brennstoffzellen 5 2.2 Gasdiffusionslagen 11 3 Problemstellung und Zielsetzung 17 4 Analyse und Klassifizierung von GDL-Fehlern 20 4.1 Fehlerklassifizierung 22 4.2 Fehleridentifizierung 26 4.3 Auswahl zu analysierender Fehlerbilder 27 4.4 Charakteristika der ausgewählten Fehlerbilder 42 4.4.1 Bahndeformationen 42 4.4.2 Umlaufende Verdickungen von Wickeln in Umfangsrichtung 44 4.4.3 Längs- und Queraufrauhungen sowie Rauhspuren 45 5 Theoretische Grundlagen 49 5.1 Physikalische und mechanische Grundlagen 49 5.1.1 Zug-, Biege- und Druckspannungen in Warenbahnen 49 5.1.2 Elastizitäts- und Kompressionsmoduli 52 5.1.3 Elastizität und Plastizität 53 5.1.4 Umformmechanismen im GDL-Basisvliesstoff und Versagensarten von Fasern 54 5.2 Statistik 55 5.2.1 Korrelationsanalyse 55 5.2.2 Regressionsanalyse 56 5.2.3 Zweistichproben-t-Tests und Konfidenzintervalle 56 5.2.4 Stichprobenumfang 57 5.3 Qualitätsregelkreise 58 6 Eingesetzte Untersuchungsmethoden 60 6.1 Mechanische Eigenschaften 64 6.1.1 Höchstzugkraft und Höchstzugkraftdehnung 64 6.1.2 Elastizitätsmodul und Kompressibilität 66 6.1.3 Elastische und plastische Deformation bei Zugbelastungen 67 6.1.4 Flächenmasse 70 6.1.5 Biegesteifigkeit 72 6.1.6 Dickenmessung 74 6.2 Thermische Eigenschaften 75 6.2.1 Wärmeleitfähigkeit 75 6.3 Bildgebende Verfahren 78 6.3.1 Schliffbildmikroskopie 78 6.3.2 Rasterelektronenmikroskopie 78 6.3.3 µ-Computertomographie 79 7 Herstellungsverfahren der untersuchten Gasdiffusionslagen im Überblick 81 8 Basisvliesstoffherstellung 84 8.1 Prozess der Vliesbildung und Verfestigung 84 8.2 Charakterisierung des GDL-Basisvliesstoffes 90 8.3 Fehlerbilder des GDL-Basisvliesstoffes 103 9 Dickenkalibrierung 113 9.1 Prozess der Dickenkalibrierung des GDL-Basisvliesstoffes 113 9.2 Charakterisierung des dickenkalibrierten GDL-Basisvliesstoffes 120 9.3 Fehlerbilder des dickenkalibrierten GDL-Basisvliesstoffes 130 9.3.1 Prozessbeobachtung 130 9.3.2 Hypothesenbildung und Verifikation 135 9.3.3 Maßnahmen zur Fehlervermeidung 146 10 Carbonisierung 156 10.1 Prozess der Carbonisierung 156 10.2 Charakterisierung carbonisierten GDL-Substrates 157 10.3 Fehlerbilder im Carbonisierprozess 163 11 Data Mining für die GDL-Herstellung 167 11.1 Datenerhebung 167 11.2 Auszuwertende Parameter 172 11.3 Ergebnisse der Parameteranalysen 173 12 Qualitätsregelkreise zum GDL-Produktionsprozess 178 12.1 Wulstbildung und Längsaufrauhung 178 12.2 Queraufrauhung 181 13 Zusammenfassung und Ausblick 184 14 Literaturverzeichnis 186 15 Abbildungsverzeichnis 192 16 Abkürzungsverzeichnis 201 17 Formelverzeichnis 203 18 Anlagenverzeichnis 204 / Due to worldwide increasing energy consumption, which is mainly covered by fossile fuels nowadays, it has become a necessity to further develop alternative possibilities to create electricity as primary energy. One alternative technology to accomplish this is fuel cell technology which can be used in stationary as well as in mobile applications. One aspect hindering its widespread use is the high manufacturing cost of the needed components due to the complicated production processes. Among these are gad diffusion layers of the commonly used hydrogen-driven polymer electrolyte fuel cells. There are interactions occurring between the several production steps leading to unwanted changes in material properties. The causes of these interactions are not completely understood. A deeper understanding of these shall be the basis for optimizations in process design and therefore cost reductions and improvements in performance of gas diffusion layers can be achieved.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 5 2.1 Brennstoffzellen 5 2.2 Gasdiffusionslagen 11 3 Problemstellung und Zielsetzung 17 4 Analyse und Klassifizierung von GDL-Fehlern 20 4.1 Fehlerklassifizierung 22 4.2 Fehleridentifizierung 26 4.3 Auswahl zu analysierender Fehlerbilder 27 4.4 Charakteristika der ausgewählten Fehlerbilder 42 4.4.1 Bahndeformationen 42 4.4.2 Umlaufende Verdickungen von Wickeln in Umfangsrichtung 44 4.4.3 Längs- und Queraufrauhungen sowie Rauhspuren 45 5 Theoretische Grundlagen 49 5.1 Physikalische und mechanische Grundlagen 49 5.1.1 Zug-, Biege- und Druckspannungen in Warenbahnen 49 5.1.2 Elastizitäts- und Kompressionsmoduli 52 5.1.3 Elastizität und Plastizität 53 5.1.4 Umformmechanismen im GDL-Basisvliesstoff und Versagensarten von Fasern 54 5.2 Statistik 55 5.2.1 Korrelationsanalyse 55 5.2.2 Regressionsanalyse 56 5.2.3 Zweistichproben-t-Tests und Konfidenzintervalle 56 5.2.4 Stichprobenumfang 57 5.3 Qualitätsregelkreise 58 6 Eingesetzte Untersuchungsmethoden 60 6.1 Mechanische Eigenschaften 64 6.1.1 Höchstzugkraft und Höchstzugkraftdehnung 64 6.1.2 Elastizitätsmodul und Kompressibilität 66 6.1.3 Elastische und plastische Deformation bei Zugbelastungen 67 6.1.4 Flächenmasse 70 6.1.5 Biegesteifigkeit 72 6.1.6 Dickenmessung 74 6.2 Thermische Eigenschaften 75 6.2.1 Wärmeleitfähigkeit 75 6.3 Bildgebende Verfahren 78 6.3.1 Schliffbildmikroskopie 78 6.3.2 Rasterelektronenmikroskopie 78 6.3.3 µ-Computertomographie 79 7 Herstellungsverfahren der untersuchten Gasdiffusionslagen im Überblick 81 8 Basisvliesstoffherstellung 84 8.1 Prozess der Vliesbildung und Verfestigung 84 8.2 Charakterisierung des GDL-Basisvliesstoffes 90 8.3 Fehlerbilder des GDL-Basisvliesstoffes 103 9 Dickenkalibrierung 113 9.1 Prozess der Dickenkalibrierung des GDL-Basisvliesstoffes 113 9.2 Charakterisierung des dickenkalibrierten GDL-Basisvliesstoffes 120 9.3 Fehlerbilder des dickenkalibrierten GDL-Basisvliesstoffes 130 9.3.1 Prozessbeobachtung 130 9.3.2 Hypothesenbildung und Verifikation 135 9.3.3 Maßnahmen zur Fehlervermeidung 146 10 Carbonisierung 156 10.1 Prozess der Carbonisierung 156 10.2 Charakterisierung carbonisierten GDL-Substrates 157 10.3 Fehlerbilder im Carbonisierprozess 163 11 Data Mining für die GDL-Herstellung 167 11.1 Datenerhebung 167 11.2 Auszuwertende Parameter 172 11.3 Ergebnisse der Parameteranalysen 173 12 Qualitätsregelkreise zum GDL-Produktionsprozess 178 12.1 Wulstbildung und Längsaufrauhung 178 12.2 Queraufrauhung 181 13 Zusammenfassung und Ausblick 184 14 Literaturverzeichnis 186 15 Abbildungsverzeichnis 192 16 Abkürzungsverzeichnis 201 17 Formelverzeichnis 203 18 Anlagenverzeichnis 204