Die Membran selbst ist die zentrale Komponente der Brennstoffzelle und erlaubt als Elektrolyt den Transport von Wasserstoffprotonen von der Anode zur Kathode, während die Elektronen über einen externen Stromkreis fließen. Gleichzeitig muss die Membran aber die Gasräume von Anode und Kathode sicher trennen, so dass möglichst wenig Wasserstoffgas durch die Membran zur Kathodenseite diffundiert. Die Bestimmung des Wasserstoffdurchtritts einer Membran ist ein wesentliches Merkmal für die Qualifizierung.

Mittlerweile werden Membranen immer dünner hergestellt, da mit geringerer Dicke Protonenleitfähigkeit sowie Wasserhaushalt der Membran verbessert werden. Im Gegensatz dazu steigen jedoch die Elektronenleitfähigkeit und die Gasdurchlässigkeit insbesondere für Wasserstoff. Dies führt zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades durch parasitären Wasserstoffverbrauch sowie durch Mischpotentiale auf der Kathode. Zusätzlich kann bei Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff Wasserstoffperoxid gebildet werden. Dieses führt zum Abbau der Membran und Entstehung von Mikro-Löchern (Pinholes), wodurch der Gasdurchtritt verstärkt wird. Somit stellt der H₂-Crossover einen elementaren Faktor für die Lebensdauer einer Brennstoffzelle dar.

Am häufigsten wird der H₂-Crossover durch die elektrochemischen Methoden Linear Sweep Voltammetry (LSV) oder Cyclic Voltammetry bestimmt (CV). Dabei wird die Kathode mit feuchtem Stickstoff durchströmt, während die Anode als Gegen- und Referenzelektrode dient und mit feuchtem Wasserstoff versorgt wird. Mit einem Potentiostaten wird eine Potential-Rampe mit einer geringen Steigung, z. B. 2 mV/s, zwischen zwei Potentialen aufgeprägt. Zeitgleich wird der sich einstellende Strom gemessen. Da der Kathode nur Stickstoff und Wasserdampf zugeführt werden, wird der gemessene Strom auf elektrochemische Oxidation von Wasserstoff, der von der Anode durch die Membran zur Kathode gelangt ist, sowie auf elektrischen Kurzschluss der Zelle zurückgeführt. Die Ergebnisse einer CV-Messung sind in der Abbildung „Vergleich von CV und PSM“, blaue Kurve, dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Ergebnisse trotz der geringen Potentialgeschwindigkeit durch Adsorption und Desorption von Wasserstoff sowie durch Be- und Entladung der kapazitiven Doppelschicht der MEA verfälscht werden. Außerdem ist diese Messmethode aufgrund der langen Messzeit sehr anfällig auf Abweichungen der Betriebsparameter wie Druck, Feuchte oder Temperatur.

Bei der neu am ZBT etablierten Potential-Stufen-Methode (PSM) werden die Ströme nur bei wenigen verschiedenen Potentialen gemessen. Dabei werden die Potentiale so lange konstant gehalten, dass Adsorption, Desorption sowie kapazitive Beladungsvorgänge abgeschlossen sind. Somit resultiert der ermittelte Strom ausschließlich aus elektrischem Kurzschluss sowie der Oxidation von aus der Anode diffundiertem Wasserstoff. In Abbildung „Potential-Stufen-Methode (PSM)“ ist der zeitliche Verlauf einer solchen Messung dargestellt. Bei dieser Messung stellten sich konstante Ströme meist schon nach weniger als einer Minute je Messpunkt ein. Da theoretisch nur zwei Messpunkte erforderlich sind, kann die notwendige Messzeit zur Bestimmung des Wasserstoffdurchrittes gegenüber CV oder LSV deutlich reduziert werden.

In Abbildung „Vergleich von CV und PSM“ sind die Ergebnisse der PSM-Messung als rote Punkte dargestellt. Werden die Daten mit einer linearen Gleichung gefittet, entspricht der y-Achsenabschnitt dem H₂-Crossover in mA/cm² und die Steigung der Graden dem elektrischen Kurzschluss über die MEA.

Diese Messmethode wird nun am ZBT zur Qualifizierung von Membranen zusätzlich zur direkten Permeationsmessung eingesetzt, dies selbstverständlich auch als Dienstleistung.

• Abteilung Brennstoffzellen- und Systemtechnik
• Abteilung Elektrochemie und Schichttechnik
• Dienstleistungsportfolio: Komponentenqualifizierung