Herstellung und Charakterisierung von Membran-Elektroden-Einheiten für Niedertemperatur Brennstoffzellen

Autor: Kaz, Till
Přispěvatelé: Müller-Steinhagen, Hans (Prof. Dr. Dr.-Ing. habil.)
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2008
Předmět:
DOI: 10.18419/opus-1777
Popis: Mit dem Ziel, die Eigenschaften von PEFC Elektroden zu charakterisieren, wurden im Rahmen dieser Arbeit Modellelektroden mit dem am DLR entwickelten Trockensprühverfahren hergestellt, wobei die Zusammensetzung systematisch über einen weiten Bereich variiert wurde. Verändert wurde neben verschiedenen Katalysatortypen (ungeträgertes und auf Kohle geträgertes Platin) der Gehalt an Elektrolyt in der Elektrode. Zur Charakterisierung der Elektroden wurden primär in-situ Methoden verwendet, die durch geeignete zum Teil im Rahmen der Arbeit entwickelte ex-situ Methoden ergänzt wurden. Die Ergebnisse der Brennstoffzellenversuche zeigen, dass ab einer bestimmten Menge an Elektrolyt in der Elektrode die Leistung gesteigert werden kann. In Abhängigkeit des Katalysatortyps konnte überschlägig eine Perkolationsschwelle für eine erforderliche minimale Menge an Festelektrolyt zum Katalysatorpulver bestimmt werden. Die Leistungssteigerung entspricht aber nicht der möglichen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden freien Katalysatoroberfläche, insbesondere bei geträgerten Katalysatoren, die eine wesentlich höhere spezifische Katalysator-oberfläche aufweisen als ungeträgerte Katalysatoren. Versuche zur Untersuchung der Protonenleitung der Elektrodenschicht zeigen keine signifikante Steigerung der Protonenleitfähigkeit durch zusätzlichen Festelektrolyt in der Elektrode. Ex-situ Untersuchungen zur Leitfähigkeit der unterschiedlichen Katalysatoren in Abhängigkeit vom Wassergehalt ergaben, dass bei Vorhandensein von flüssigem Wasser die Protonenleitung durch Dissoziationserhöhung des Wassers aufgrund lokaler elektrischer Felder auf vergleichbarem Niveau wie die des Festelektrolyten liegt. Die Protonenleitung des Festelektrolyten spielt nur im niedrigen Strombereich eine Rolle, bei dem die lokale elektrische Feldstärke nicht ausreicht um die Protonenleitfähigkeit des Wassers zu erhöhen. Einen Anhaltspunkt für die starke Leistungsabhängigkeit vom Katalysatortyp geben Messungen der Elektronenleitung des Katalysators in Abhängigkeit des Wassergehalts. Es konnte gezeigt werden, dass im Fall von geträgertem Katalysator, Wasser in der Elektrode zu einem signifikant höheren Elektronenwiderstand führt. Der Katalysator wird vermutlich durch die hydrophile Eigenschaft der Oberfläche des Kohleträgers mit Wasser umhüllt. Dadurch ergibt sich eine Art Verbundwerkstoff, gebildet aus Wasser als Matrix und Katalysator als Füllstoff. Entsprechend kann die Elektronenleitung der Struktur über ein geeignetes Modell aus den beiden Einzelwiderständen berechnet werden. Im Fall von geträgertem Katalysator konnte gezeigt werden, dass sich die Elektronenleitung aus einer Parallelschaltung des Wasser- und Katalystorwiderstandes ergibt. Weiterhin konnte aus Messungen von Impedanzspektren der Modellelektroden im Brennstoffzellenbetrieb und der Elektronenleitung des Katalysatormaterials eine Korrelation festgestellt und ein Korrekturwiderstand berechnet werden mit dem es möglich ist, die Strom-Spannungs-Kennlinien der verschiedenen Katalysatoren ineinander überzuführen. Aus den gewonnenen Erkenntnissen ergeben sich für die Herstellung von trocken gesprühten Elektroden neue Ansatzpunkte für eine ideale Struktur in Hinsicht auf einsetzbare Materialien, Betriebsbedingungen und Anforderungprofile.
The high cost for a Polymer electrolyte Fuel Cell (PEFC) System is still a barrier for commercial breakthrough, which cannot be compensated by the advantages of being pollution free, or nearly noiseless. The most effective way of saving costs is to reduce expensive materials, because the material costs only for the Membrane Electrode Assemblies (MEAs) is more than 70% of the total costs of a PEFC Stack. Within the MEA a main part of the costs is due to the catalyst. It is one of the main goals to decrease the catalyst loading by simultaneously increasing the performance or keeping it at least constant. Because in most electrodes only 20-50% of the catalyst in the electrodes is used, enlarging the electrochemical active area is one of the key problems of the PEFC. For being electrochemical active, the catalyst must be reachable for the gases, he must have a good ionic conductivity to the membrane and he must be attached to the Gas Diffusion Layer (GDL) by electron conductivity. In literature often an inferior ionic contact of the catalyst to the membrane is responsible for the low catalyst utilization. In the first part of the work, model electrodes with different kinds of catalysts and different amounts of electrolyte in the electrodes were investigated to explore the interrelationship between platinum and electrolyte content. Three different catalysts, unsupported Pt- black, 60 wt.% Pt carbon-supported and 20 wt.% Pt carbon-supported with an addition of Nafion® powder of 0%, 20%, 40%, 60 wt.%, and 80 wt.% were used. The electrodes were prepared by spraying the electrode material with the DLR dry spray technique directly onto the membrane and then rolling them while hot. Because material solutions were not used, the structure of the electrodes are determinable and predictable. Numerous different in- and ex-situ characterization methods like impedance spectroscopy, U-i characteristic, cylic-voltammetry, proton conductivity measurements, halfcell measurements and REM and EDX investigations were applied. As a result of the investigations, optimum electrolyte content for a specific catalyst was obtained by using a percolation model. In the second part of the work, the influence of water in the electrode was investigated for the ionic and the electron conductivity. It turned out that the ionic conductivity increased with the amount of water for the supported and unsupported catalyst, whereas the electron conductivity, particularly for the supported catalyst, decreased dramatically by increasing the water content. With the help of electron conductivity models for composite materials, where water is the matrix and the catalyst the filler material, electron conductivity can be described as a parallel circuit of the single conductivities. With this model, the difference in performance between the supported and unsupported catalyst can be explained. With the results of the work, ideal electrode compositions and structures for different catalysts and applications can be predicted and so the catalyst loading can be decreased. This together with a cost effective MEA production technique is an important step towards fuel cell commercialization.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: