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Gastrennung mit feuchtigkeitsbeständiger Verbundmembran

Wasserstoff (H2) ist ein leichter alternativer Kraftstoff mit hoher Energiedichte. Seine Effizienz in Bezug auf Umwelt und Wirtschaftlichkeit haengen jedoch stark von der Art der Erzeugung ab. Die Hauptprozesse der Wasserstofferzeugung sind entweder Kohlevergasung oder Dampfreformierung von Erdgas, bei denen das erzeugte Kohlendioxid (CO2) im letzten Schritt erzeugt wird. Normalerweise wird dieses CO2 in die Umwelt abgegeben. Der so erzeugte Wasserstoff basiert auf fossilen Brennstoffen und wird daher nicht als grüner Wasserstoff bezeichnet. Um den CO2-Fußabdruck zu verringern, ist das Abfangen des entstandenen CO2 erforderlich. Um jedoch grünen Wasserstoff zu erhalten, ist die Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarer Energie erforderlich, wenngleich auch erneuerbare Energie nicht komplett CO2-frei erzeugt wird. Während des Elektrolyseverfahrens werden Wasserstoff und Sauerstoff an zwei Elektroden erzeugt (Sie können Brennstoffzellen-Handbuch herunterladen, um mehr ueber den Nutzen und den Einsatz von Wasserstoff als Energietraeger zu erfahren).

Effizientere Gasabtrennungsprozesse verbessern die Klimabilanz

Der produzierte Wasserstoff ist in keinem der genannten Fälle rein. Beispielsweise gibt es mit der Dampfmethan-Reformierungsreaktion viele Nebenproduktgase wie Kohlenmonoxid, CO2, Wasser, Stickstoff und Methangas.

Typischerweise ist der CO2-Gehalt des Wasserstoffgases bis zu 50%. Dadurch trägt die Wasserstoffproduktion zum Treibhauseffekt bei. Derzeit stammen rund 80% der CO2-Emissionen von fossilen Brennstoffen. Es wurde vorhergesagt, daß die CO2-Konzentration in der Atmosphäre im Jahr 2100 bis zu 570 ppm betragen könnte, was die globale Temperatur um etwa 1,9°C erhöhen würde.

Die traditionellen Prozesse der Gastrennung wie die Kältedestillation und Druckwechsel-Adsorption haben bestimmte Nachteile, wie z.B. einen hohen Energieverbrauch. Die Entwicklung hochwertiger und kostengünstiger Technologien zur Gastrennung ist daher ein wichtiger Zwischenschritt, um billige Wasserstoff herzustellen und gleichzeitig die CO2-Emissionen zu reduzieren.

2D-Materialien zur Gastrennung

Die Suche nach kostengünstigen alternativen Membran-Trennungsmethoden für die Wasserstoff-CO2-Trennung ist eine potenziell lukrative Forschung. Daher überrascht es nicht, daß zahlreiche Publikationen dieses Thema zum Gegenstand haben. Die verschiedenen Membranmaterialien zur Gastrennung sind z.B. Polymermembranen, nanoporösen Materialien, metallorganischen Mischverbindungen und Zeolith-Membranen. Ziel ist es, ein gutes Gleichgewicht zwischen Selektivität und Durchlässigkeit der Gastrennung zu erreichen. Beide sind wichtige Parameter für die Wasserstoffreinigung und CO2-Abscheidungsverfahren.

Eine im Fachblatt Nature Energy von Forschern des Nationalen Forschungsinstituts von Japan veröffentlichte Studie beschreibt nun eine Materialplattform als Basis für die Trennung von Wasserstoff aus feuchten Gasgemischen. Wie eingangs beschrieben kommen diese beispielsweise in Gasen aus fossile Brennstoffquellen oder der Wasserelektrolyse vor. Die Autoren zeigten, daß der Einbau von positiv geladenen Nanodiamanten in Graphenoxid (GO / ND+) zur Herstellung feuchtigkeitsabweisender Hochleistungsmembranen geeignet ist. Die Leistung der GO / ND+-Laminate zeichnete sich im Vergleich zu herkömmlichen Membranmaterialien insbesondere bei der Wasserstofftrennung aus.

Leistung neuer Membranmaterialien

Graphenoxidlaminate werden als wichtiger Schritt für die Wasserstoff-CO2-Trennung betrachtet. Sie gelten als hochdurchlässige (dreistellige Durchlässigkeit) und gleichzeitig hochselektive Membranen. Dennoch verlieren Graphenoxidfilme ihre attraktiven Trenneigenschaften und Stabilität unter Feuchtigkeit.

Nach dem Laminieren sind Graphenoxidverbindungen üblicherweise negativ geladen.  Sie können aufgrund elektrostatischer Abstoßung in feuchter Umgebung zerfallen. Um diese zu verhindern, griffen die Forscher auf das Ladungskompensationsprinzip zurück. Das heißt, die Autoren haben positiv und negativ geladene Füllstoffe als Stabilisierungsmittel eingebaut und die Membran mit unterschiedlich großen Graphenoxidflocken getestet. Diese Membranen wurden in trockener oder feuchter Umgebung auf Stabilität getestet. Gleich wurden die Trenneigenschaften Wasserstoff von CO2 oder Sauerstoff ermittelt.

/Die GO / ND+ Verbundmembranen behielten bis zu 90% ihrer Wasserstoffselektivität gegen CO2-Exposition über mehreren Zyklen und bei hoher Feuchtigkeit. Eine GO30ND+ Membran mit 30% positiv aufgeladenen Nanodiamanten war außergewöhnlich gut durchlässig für Wasserstoff mit mehr als 3.700 Gaspermeatineinheiten (GPU) bei gleichzeitig hoher Wasserstoff-CO2-Selektivität. Der Einbau von negativ geladenen Nanodiamanten hatte dagegen keine stabilisierende Wirkung. Der Forscher vermuteten große Hohlräume in den Nanodiamant-Systemen, die zum Verlust der Selektivität führen. Dieses Phänomen ist nicht ungewöhnlich in Verbundmembranen auf Polymerbasis, da dieselben durch ungünstige Grenzflächenwechselwirkungen charakterisiert sind.

Die Gastrenneigenschaften der Verbundmembranen wurden auch unter Verwendung eines äquimolaren Wasserstoff-CO2-Gemischs untersucht. Die Wasserstoffdurchlässigkeit sank um 6% und die Wasserstoff-CO2-Selektivität der GO30ND+-Membran wurde um 13% reduziert.

Der Stabilitätstest der Membranen mit nassen oder trockenen Wasserstoff-CO2 bzw. der Wasserstoff-Sauerstoff-Mischungen zeigte, daß die GO/ND+-Membranen umkehrbare Membraneigenschaften besaßen. Auf der anderen Seite überstanden reine Graphenoxidmembranen nicht einen einzigen vollständigen Zyklus. Dadurch wurden sie für beide Gase komplett durchlässig. Die Forscher erklärten das damit, daß die Vorteile von GO/ND+ Membranen verglichen mit reinen Graphenoxidmembranen durch Veränderungen der Porenstruktur wie deren Ausdehnung und Tortuosität verursacht wurden. Beide Eigenschaften können durch die Optimierung der Nanodiamantbeladung verbessert werden. Dies führt zu einer besseren Permeabilität ohne einen bemerkenswerten Verlust an Selektivität.

Die Röntgenbeugungsanalyse machte den Einbau der Nanodiamanten und ihrer Auswirkungen auf die Membranmikrostruktur deutlich. Das gesamten Porenvolumen war vergrößert, bei gleichzeitiger Reduzierung der durchschnittlichen lateralen Größe. Beides macht die Membranstruktur für den molekularen Transport besser zugänglich.

Dennoch müssen diese neuen feuchtigkeitsresistenten Membranen weiter verbessert werden, um mit heutigen industriellen Trennprozessen zu konkurrieren.

Image: Pixabay / seagul

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Fluordotierung verbessert Ethanolbrennstoffzellen

Direktethanolbrennstoffzellen (DEBZ) sind Brennstoffzellen, die mit Ethanol als Brennstoff betrieben werden und direkt elektrische Energie erzeugen. Obwohl sie eigentlich sehr viel zu bieten haben, werden sie noch nicht industriell gefertigt. Ethanol wird aus Biomasse durch Hefen hergestellt. Seine Oxidationsprodukte – CO2 und H2O – sind daher umweltfreundlich. Die Anwendung von DEBZ könnte aufgrund der Energieeffizienz eine lukrative Lösung für Fahrzeuge sein, so sie denn in großen Stückzehen produziert werden. Unsere derzeitige Brennstoff-Infrastruktur ist für Ethanol durch die derzeitige Beimischung schon einsatzbereit. Die DEBZ-Nutzung wäre daher eine nachhaltige, umweltfreundliche und schnell einsetzbare Alternative zu aktuellen Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus ist Ethanol flüssig, was die Verteilung, Lagerung und Verwendung erleichtert.

Laut einer von der Internationalen Energieagentur (IEA) gesponserten Studie stellen DEBZ hohe Leistungsdichten bereit, die zwischen 50 und 185 mW / cm² liegen. Derzeit sehen sich DEBZ mit mehrfache Herausforderungen konfrontiert. Dazu zählen wie langsame Redox-Kinetik, begrenzte Leistung und hohen Kosten für die benötigten Elektrokatalysatoren.

Die beiden Hauptreaktionen in DEBZ sind:

  1. Ethanoloxidationsreaktion (EOR)
  2. Sauerstoffreduktionsreaktion (SRR)

Die träge Reaktionsgeschwindigkeit hat die Verbreitung dieser Technologie bisher verhindert. Moderne DEBZ benötigen teure platinbasierte Materialien, um diese Reaktionen zu katalysieren. Sie oxidieren jedoch Ethanol nicht vollständig zu CO2. Das begrenzt die Energieeffizienz. Eine Dieses Problem kan behoben werden, indem nicht umgesetzter Brennstoff erneut injizieren eingespeist wird. Da dies die Komplexität der Brennstoffzelle erhöht, wäre eine bessere Lösung, effizientere Katalysatoren zu finden. Um das wahre Potenzial von DEBZ auszuschöpfen sollten am besten günstigere Katalysatoren für die beiden Reaktionen gefunden werden.

Die Forscher an der University of Central Florida und ihre Kollegen experimentierten mit Palladium-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren (Pd-N-C) und versuchten, die Leistung durch Einführung von Fluoratomen zu verbessern. Das Team benutzte alkalische Membranen und platinfreie Katalysatoren. Diese waren sowohl kostengünstiger erzeugten auch eine hohe Ausgangsleistungsleistung.

Bisherige Forschung an elektrokatalytischen Systemen ergab, daß die lokale Elektrodenkoordinierung von zentraler Bedeutung für die Aktivität von Redox-Katalysatoren aus kohlenstoffbasierten Metallnanopartikeln ist. Die neue Studie zeigte, daß die Einführung von Fluoratomen in Pd-N-C-Katalysatoren die Elektrodenkoordinierung günstig beeinflußt. Dadurch wurde sowohl Aktivität erhöht als auch Haltbarkeit der Katalysatoren verbessert. Zusammengenommen wirkte sich das positiv auf die Gesamtleistung des Brennstoffzelle aus. Die experimentellen Ergebnisse der langfristigen Stabilität sind ein vielversprechender Fortschritt gegenüber praktischen Anwendungen solcher Katalysatoren in DEBZ.

Ergebnisse

Bei Experiment mit dem neuen Katalysator wurde festgestellt, daß die Fluoratome die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung schwächen und die Stickstoffatome in Richtung Palladium entlassen. Diese Elektronenübertragung regulierte effizient die Elektrodenkoordinierung des Palladiums, indem aktive Palladium-Stickstoff-Zenten für katalytische Reaktionen gebildet wurden.

Die N-reiche Palladiumoberfläche förderte die Spaltung der Kohlenstoffbindungen und ermöglichte die vollständige Ethanoloxidation. Während der SRR hat die N-reiche Palladiumoberfläche nicht nur die CO2-Adsorption reduziert, sondern erzeugte auch besser zugängliche katalytische Stellen für eine schnellere Sauerstoffadsorption.

Nach Angaben der Autoren wurde ein häufig auftretendes Problem in den DEBZ – die nicht abgeschlossenen Schlüsselreaktionen – behoben. Der neue Katalysator verbesserte die Gesamtleistung der Brennstoffzelle. Die Fluordotierung erhöhte auch die Haltbarkeit des Katalysators, indem die die Korrosion die Kohlenstoffkorrosion reduziert. Auch wurde die Palladiummigration und -aggregation gehemmt.

In einer DEBZ getestet, wurde mit dem neuen Katalysator eine maximale Leistungsdichte von 0,57 W / cm² erreicht. Die Brennstoffzelle lief für mehr als 5.900 Stunden stabil. Die vorgeschlagene Strategie der Fluordotierung führte unter Verwendung anderer kohlenstoffgestützter Metallkatalysatoren generell zu verbesserter Aktivität und Stabilität.

Ausblick

Der Hauptmangel alkalischer DEBZ ist ihre Haltbarkeit. Derzeit reicht sie für praktische Anwendungen nicht aus. Darüber hinaus haben die verwendeten Anionenaustauschermembranen zwei Probleme:

  • Die strukturelle Stabilität der Membran reicht nicht aus, um sie langfristig zu verwenden
  • Katalysatorcarbonisierung erfolgt in Anwesenheit von CO2 aufgrund seiner Reaktion mit Hydroxidionen, wodurch sich der Katalysator letztendlich abnutzt.

Obwohl die DEBZ in der vorgestellten Studie für bemerkenswerten 5.900 Stunden lief, mußte die Membran nach 1.200 Stunden ausgetauscht werden. Da das Austauschen der Membranen eine vollständige Demontage der Zelle erforder, ist dies langfristig keine praktable Lösung.

Daher sollte sich die zukuenftige Forschung auf die ionische Leitfähigkeit und der Stabilität anionischer Membranen unter alkalischen Bedingungen konzentrieren. Idealerweise wird die zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit verwendete Hydroxidlösung vermieden, um die Energiedichte zu erhalten und die Komplexität der Vorrichtung zu reduzieren. Festoxidbrennstoffzellen bieten eine Lösung für diese Probleme, da der Kraftstoff in gasförmiger Form oxidiert wird. Ihre keramische Membran ist jedoch zu fragil für mobile Anwendungen.

Das publizierte Experiment ist ein signifikanter Fortschritt bei der Verbesserung der Leistungsdichte von DEBZ und bringt sie damit auf einen neuen Stand der Technik. Die weitere Forschung muß jedoch die zahlreichen kleineren Hindernisse bei der langfristigen Verwendung von anionischen Membranen angehen.

Experimentelle Analyse

Verwendete Materialien

Handelsübliche Pd/C-Partikel (10%, 8 nm PD-Partikel auf Aktivkohle) sowie Pt/C (20%, 3 Nm-Pt-Partikel auf Kohle) wurden als Basiskatalysatoren verwendet. Nafion™ -Lösung (5%), Kohlepapier (TGP-H-060) und Anionenaustauschermembranen (Fumasep FAS-PET-75) kamen ebenfalls zum Einsatz.

Synthese von Heteroatom X-dotiertem Kohlenstoff (X-C, X = N, P, S, B, F)

Kohlepartikel mit reich vorhandenen Sauerstoff-Gruppen und Melamin (C3H6N6) wurden gemischt und gemahlen und schließlich pyrolysiert. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde N-C durch Waschen mit Ethanol und Wasser erhalten. Die gleiche Methode wurde verwendet, um P-C, S-C, B-C und F-C aus Natriumhypophosphitsäure-, Schwefelpulver, Borsäure und Polyvinylidendifluorid zu synthetisieren.

Synthese von Heteroatomfluor-dotierten Kohlenstoffkatalysatoren

N-C und Polyvinyliden-Difluorid wurden gemischt und gemahlen, bevor sie in eine Lösung von Aceton und Wasser hinzugefügt wurden. Nach der Ultraschallbehandlung wurde das Gemisch in einem Ölbad unter Rückfluß erhitzt, bis es vollständig getrocknet war. Um den fluorierten Katalysatorträger zu erhalten, wurde die Mischung pyrolysiert und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurden die Proben mit Ethanol und Reinstwasser gewaschen, gefolgt von Vakuumbehandlung. Die gleiche Methode wurde für die anderen Vorstufen verwendet.

Mikrowellenreduktion wurde verwendet, um den Palladiumkatalysator auf dem Katalysatorträger zu synthetisieren. Der Palladiumanteil in allen Proben war 1%, was durch Röntgenspektroskopie bestätigt wurde.

Elektrochemische Charakterisierungen.

Für die elektrischen Messungen wurden entweder eine glasartige Kohlenstoff-Ring-Platten-Elektrode oder eine rotierende Ringscheibenelektrode verwendet. Die Fumasep-Membran wurde als Anionenaustauschermembran verwendet, und durch Hydroxylgruppen modifiziert.

Literatur

Chang et al., 2021, Improving Pd–N–C fuel cell electrocatalysts through fluorination-driven rearrangements of local coordination environment. Nature Energy 6, 1144–1153 https://doi.org/10.1038/s41560-021-00940-4

Bildnachweis: P_Wei, Pixabay

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Verbesserte Leistung von Brennstoffzellen mit Anionenaustauschermembran und unedlen Katalysatoren

Um Kosten zu reduzieren, werden die Katalysatoren für Niedertemperatur-Brennstoffzellen ständig verbessert. Nur wenn solche Brennstoffzellen mit Verbrennungsmotoren konkurrieren koennen, werden sie ein alternativer Antrieb im Strassenverkehr sein. Das US-Energieministeriums (DOE) als fuer die Kosten von mobilen Brennstoffzellen 30 USD / kW vorgegeben. Die aktuellen Kosten einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle liegen jedoch zwischen 45 und 51 USD / kW.

Angesichts der Herausforderung, die Produktionskosten für Brennstoffzellen zu senken, haben Forscher vorgeschlagen, den pH in Brennstoffzellen von einem saur auf alkalisch zu ändern. Dafür muß die Protonenaustauschmembran in einer Brennstoffzellen durch eine Anionenaustauschmembran ersetzt werden. Der große Vorteil von Anionenaustauschmembranen gegenüber Protonenaustauschmembranen ist der günstigere Preis. Darüber hinaus könnte ein breiteres Spektrum an Materialien verwendet, sowie die Kinetik der Sauerstoffreduktionsreaktion verbessert werden. Doch saure Bedingungen korrodieren Nichtedelmetalle schnell, während gleichzeitig die hohe Beladung mit Platingruppenmetallen-Katalysatoren reduziert werden muß.

Synthese des Fe-N-C-Elektrokatalysators und seiner Struktur

Forscher der University of South Carolina, Columbia (USA) veröffentlichten im Fachheft Nature Energy einen Artikel über die verbesserte Leistung kostengünstiger Fe-N-C-Kathodenkatalysatoren mit aktiven Fe-Nx-Zentren in Anionen-Brennstoffzellen. Der Fe-N-C-Katalysator wurde im Hinblick auf zwei wichtige Aspekte hergestellt: Erhöhung der durchschnittlichen Porengröße (im Bereich von 5-40 nm sowie 1 µm) und des Graphitierungsgrades. Beide Maßnahmen reduzieren die Hydrophobie der Katalysatorschicht. Um die Leistung ihres Katalysators zu optimieren, durchliefen die Forscher einen iterativen Erkenntnisprozeß unter Verwendung verschiedener Charakterisierungstechniken für ihren neuen Katalysator. Energiedispersive Spektroskopie wurde verwendet, um sicherzustellen, daß die Katalysatorzusammensetzung homogen war. Eisenatome im Katalysator waren als einzelne Atome vorhanden, was durch Rastertransmissionselektronenmikroskopie bestätigt wurde.

Katalysatorleistung und Integration in AEM-Brennstoffzellen

Die von den Wissenschaftlern durchgeführten elektrochemischen Analysen ergaben, daß der neue Fe-N-C-Katalysator durch direkte O2-Reduktion eine hohe ORR-Aktivität erreicht. Bei dieser Reduktionsreaktion reagieren vier Elektronen direkt einem Sauerstoffmolekül und ohne den Wasserstoffperoxid-Zwischenschritt zu Wasser. Die Ausbeute an Wasserstoffperoxid als Funktion des Potentials betrug über den gesamten Versuchsbereich weniger als 1% – ein sehr gutes Ergebnis für ein Nichtedelmetall. Die Stromdichte der Reaktion betrug 7 mA / cm2.

Der Fe-N-C-Katalysator wurde an der Kathode einer Anionen-Brennstoffzelle für Wasserstoff und Sauerstoff verwendet. Es wurde eine hohe Spitzenleistungsdichte von 2 W / cm2 beobachtet. Diese Leistung ist der höchste berichtete Wert für Polymermembran-Brennstoffzellen (Anionen- und Protonenmembranen) mit Nichtedelmetallen. Vor allem die 4-fach geringere Beladung mit dem Fe-N-C-Katalysator im Vergleich zu früheren Versuchen macht diesen Brennstoffzellentyp wirtschaftlich interessant. Darüber hinaus war der Elektrokatalysator bei Spannungen von 0,6 V über mehr als 100 Stunden stabil.

Um die Machbarkeit einer Fe-N-C-Kathode für eine praktischere Anwendung zu bewerten, wurde die Brennstoffzelle mit Luft als Oxidationsmittel der Kathode getestet. Die erreichte Stromdichte betrug 3,6 mA / cm2 bei 0,1 V mit einer Spitzenleistungsdichte von über 1 W / cm2. Diese Ergebnisse sind erneut die höchsten berichteten Werte im Vergleich zu anderen Anionen-Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft.

Brennstoffzellen im Vergleich mit den DOE-Kriterien

Um einen realistischeren Brennstoffzellenbetrieb mit hinsicht auf die DOE-Ziele zu simulieren, mußten verschiedene Zellkonfigurationen verglichen werden. Dafür wurden Zelle mit einer die Anode mit 0,6 mg Pt / cm2 und die Kathode mit 1 mg Fe-N-C pro cm2 untersucht. Die gepaarte Zelle wurde unter Bedingungen betrieben, die dem DOE-Protokoll ähnlich waren: 0,9 V, Zelltemperatur 80°C und 100 kPa Partialdruck von O2 und H2. Die Stromdichte bei 0,9 V betrug ca. 100 mA / cm2. Dies war mehr als das Doppelte des DOE-Ziels.

Schließlich wurde die nächste Konfiguration unter Verwendung des DOE2022-Protokolls entworfen. Dieses gibt vor, daß die gesamte Edelmetallbeladung weniger als 0,2 mg Pt / cm2 betragen sollte. Die Vorgabe wurde durch die Integration einer Fe-N-C-Kathode mit niedrig beladenen PtRu/C-Anoden (0,125 mg PtRu pro cm2) erreicht. Diese Zelle erreichte im Wasserstoff-Sauerstoff-Betrieb eine Spitzenleistungsdichte von 1,3 W / cm2. Die Umrechnung dieses Wertes auf eine spezifische Ausgangsleistung von 16 W pro mg Pt ergibt den höchsten Wert aller jemals berichteten Anionen-Brennstoffzellen.

Es wurde gezeigt, daß der Fe-N-C-Elektrokatalysator mit edelmetallbasierten Katalysatoren für Anionen-Brennstoffzellen konkurrieren kann. Diese Kombination war bemerkenswert leistungsfähig in Bezug auf Aktivität und Haltbarkeit.

Methodik und Elektrodenvorbereitung

  • Ein rotierendes Ringscheibensystem (RRDE), wurde zur Evaluierung der elektrochemischen Leistung für die Sauerstoffreduktionsreaktion des Fe-N-C-Katalysators verwendet.
  • Der Fe-N-C-Katalysator wurde mit dichter gepackten Fe-Nx-Zentren hergestellt. Ein höherer Kohlenstoffanteil führt auch zu einer höheren Anzahl von Katalysatorstellen in den Graphenschichten, die für die Insertion aktiver Zentren verfügbar sind.
  • Zum Vergleich wurde eine Pt/C-Elektrode analysiert.
  • In der elektrochemischen Zelle waren folgen Elektroden untergebracht:
    • Arbeitselektrode – der Katalysator wurde auf die GC-Scheibe gegossen und mit 5% Nafion® stabilisiert;
    • Als Gegenelektrode wurde ein Platingewebe und als Referenzelektrode Ag/AgCl verwendet, als Elektrolyt wurde 0,1 M KOH verwendet.
  • Für die Tests in einer Anionen-Brennstoffzelle wurden Gasdiffusionselektroden verwendet: die Anode wurde mit niedrig beladenem PtRu/C-Material hergestellt (0,125 mg PtRu pro cm2, 0,08 mg Pt pro cm2), während für die Kathode der Fe-N-C-Katalysator verwendet wurde – beide wurden durcbh Aufsprühen von Katalysatortinte auf eine Gasdiffusionsschicht hergestellt.

Bild: iStock

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Multifunktionaler Iridium-Katalysator für Elektrolyse und Brennstoffzellen

Ein Großteil des globalen Energiebedarfs wird heute durch fossilen Brennstoffen abgedeckt. Gleichzeitig sagt die Internationale Energieagentur voraus, daß sich der weltweite Energiebedarf bis 2040 verdoppeln wird. Dies ist hauptsächlich durch den zusätzlichen Bedarf  in Schwellen- und Entwicklungsländern begründet.

Um den wachsenden globalen Energiebedarf zu bedienen und fossile Brennstoffe zu ersetzen, hat sich bei politischen Entscheidungsträgern die Meinung durchgesetzt, daß alternative, saubere und erneuerbare Energiequellen die beste Lösung sind. Solche erneuerbaren Energiequellen können Strom aus Solar-, Windenergie oder Geothermie sowie Wasserkraft sein. Fuer letztgenannte stehen jedoch keine zusätzlichen Standorte in Industrieländern zur Verfügung.

Während Sonnen- und Windenergie an den meisten Orten der Welt zu mehr oder weniger angemessenen Kosten verfügbar sind, ist ihr größter Nachteil, daß sie instet verfuegbar, schwer zu lagern und zu transportieren sind. Außerdem kann man damit keine Autos, Flugzeuge oder Schiffen betanken. Die Umwandlung von Sonnen- und Windenergie in Wasserstoffgas könnte ein eleganter Weg aus diesem Dilemma sein. Der Rohstoff Wasser stünde reichlich zur Verfügung. Die Diversifizierung des Energiemixes durch Hinzufügen von Wasserstoff zu erschwinglichen Kosten kann mit geringeren Emissionen zudem effizienter sein. Daher wächst das Interesse an Elektrolyse und Brennstoffzellen stetig.

Der gößte Anteil des heute verbrauchten Wasserstoffs wird durch Dampfreformierung von Erdgas hergestellt. Wasserstoff kann jedoch auch durch Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Elektrolyse erfolgt in zwei Elektrodenreaktionen: Der Wasserstoffreaktion (WR) an der Kathode und der Sauerstoffreaktion (OR) an der Anode.

Brennstoffzellen kehren die Elektrolysereaktionen um indem sie Wasserstoff und Sauerstoff wieder zusammenfügen, um Wasser zu erhalten. Damei wird elektrische Energie freigesetzt. Während es verschiedene Arten von Brennstoffzellen gibt, werden diejenigen, die üblicherweise mit Wasserstoff als Brennstoff verwendet werden, als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen oder PEMFC bezeichnet. Die PEM-Abkürzung wird auch häufig für Protonenaustauschermembranen verwendet, die aus Polymeren hergestellt werden können, beispielsweise Nafion™. In PEMFC wird die Energie durch die Wasserstoffoxidationsreaktion (WOR) an der Anode- und Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) an der Kathode freigesetzt. Um wirtschaftlich machbar zu werden, gibt es noch technische Herausforderungen von Wasserelektrolyzern und Brennstoffzellen, um zu überwinden. Einige technische Probleme führen zu einem ernsthaften Systemabbau.

Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) werden in die Brennstoffzelle gepumpt, wo sie durch zwei Elektroden und das Elektrolyt zu Wasser verbrannt werden.

Eine Studie, die Forscher der Technischen Universität Berlin und des Korea Institute of Science and Technology in Nature Communications veröffentlicht wurde, schlägt einen neuartigen Iridium-Elektrokatalysator mit multifunktionalen Eigenschaften und bemerkenswerter Reversibilität vor. Zwar ist Iridium ebenfalls ein Edelmetall der Platin-Gruppe-Metalle. Der neuartige Iridium-Katalysator wurde jedoch für die Prozesse ausgelegt, in denen sich elektrochemische Reaktionen schnell ändern, wie beispielsweise die Spannungsumkehr der Wasserelektrolyse- und PEMFC-Systeme. Dies würde die beiden Systeme in einem vereinen und somit ein großer wirtschaftlicher Nutzen gegenüber bestehenden Lösungen sein.

Bestehende Herausforderungen

Überraschend sich ändernde Betriebsbedingungen wie zum Beispiel das plötzliche Abschalten der Elektrolysespannung führen zu erhöhten Wasserstoffelektrodenpotentialen. Das führt wiederum zum Zerfall der Wasserstoff produzierenden Elektroden.

In Brennstoffzellen kann an der Anode die Kraftstoffmangel auftreten, was zu einer Spannungsumkehr führt. Letztendlich bewirkt dies die Ermüdung der Brennstoffzellenkomponenten wie zum Beispiel des Katalysatorträgers, der Gasdiffusionsschicht und Flußfeldplatten. Um einen beständigen Wasseroxidationskatalysator an die Anode der PEMFCs einzuführen, um die Sauerstoffreaktion zu beschleunigen. Die Wasseroxidation konkurriert letztlich mit der Kohlenstoffkorrosion als Elektronenquelle.

Gestaltung eines einzigartigen multifunktionalen iridiumbasierten multifunktionalen Katalysators

Für die Studie wurde ein kristalliner multifunktionaler Iridium-Nanokatalysator unter Berücksichtigung der genannten Herausforderungen für Elektrolyse und Brennstoffzellen entworfen.

Der Grund, washalb ein Material basierend auf Iridium ausgewählt wurde, ist bemerkenswerte Katalyseaktivität der Sauerstoffreaktion bei gleichzeitig guter Wasserstoffbildung und -oxidation. Es ist ein hervorragendes Material für Anoden und Kathoden in Elektrolyseuren sowie für Brennstoffzellen-Anoden. Um eine Referenz fuer ihren IrNi-Nanopartikel auf Kohlenstoff mit hoher Kristallinität (IrNi/C-HT) zu haben, synthtisierten die Wissenschaftler eine Variante mit niedriger Kristallinität (IrNr/C-LT). Dabei wurde ein spezielles Imprägnierverfahren verwendet.

Die Forscher zeigten, daß die Oberfläche von IrNi/C-HT reversibel zwischen dem metallischen und mineralischen IrNiOx-Zustand umgewandelt wurde. Bei Sauerstoffentwicklung, das heißt bei anodische Wasseroxidation, bildeten die kristallinen Nanopartikel eine dünne IrNiOx-Atomschicht. Diese Oxidschicht verwandelte sich reversibel in metallisches Iridium, wenn sie auf kathodische Potentiale zurückkehrt. Die Umkehrung ermöglicht es dem Katalysator, seine hohe Wasserstoff-Redox-Aktivität wiederzuerlangen.

Die Experimente zeigten auch, daß die Leistung von IrNi/C-LT nach der Sauerstoffbildung stark abnimmt. Der Katalysatorabbau war auf die irreversible Zerstörung der amorphen IrNiOx-Oberfläche zurückzuführen.

In situ-Aufnahmen mithilfe der XANES-Spektroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) an der dünnen IrNiOx-Schicht bestätigten eine Zunahme der d-Bandlöcher während Sauerstoffreaktion. Diese wurden fuer die hervorragende Wasseroxidationseigenschaften IrNi/C-HT-Katalysators verantwortlich gemacht. Die dünne IrNiOx-Schicht wurde wie erwartet reversibel in die metallische Oberfläche umgewandelt. Die mechanistische Untersuchung der reversiblen katalytischen Aktivität der IrNiOx-Schicht der Brennstoffzelle wurde elektrochemisch und durch Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) untersucht. Auch hier wurde gezeigt, daß die reversiblen IrNiOx-Schichten regeneriert wurden.

Darüber hinaus wurden die Leistung und katalytische Umkehrbarkeit synthetisierter Elektrokatalysatoren getestet. Die Wasserstoffoxidation und Sauerstoffbildung wurden in einer Brennstoffzelle unter Kraftstoffmangel untersucht. Unter Verwendung der Spannungsumkehrung wurde die Brennstoffzelle in einen Elektrolyseur umgewandelt.

Kraftstoffmangel wurde in einer PEM-Brennstoffzelle mit IrNi/C-HT und IrNi/C-LT herbeigeführt. Die anfängliche Brennstoffzellenleistung von IrNi/C-LT und -HT war jedoch aufgrund der auftrtenden Wasserstoffoxidation und der speziellen Metallzusammensetzung niedriger als der des kommerziellen Pt/C-Katalysators.

Es wurde außerdem gezeigt, daß der IrNi/C-HT-Katalysator seine bifunktionelle katalytische Aktivität in der Brennstoffzelle / dem Elektrolyseur  beibehielt. Der neue Ansatz soll nun zukünftige Forscher ermuntern, ebenfalls die Umkehrbarkeit von Nanokatalysatoren untersuchen. Eine Vielzahl von elektrochemischen Reaktionen werden so ermöglicht, angefangen mit der Spannungsumkehr in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren.

Bei Frontis Energy freuen wir uns auf den neuen Iridium-Katalysator in unserem Shop, sobald dieser verfügbar ist.

Foto: Iridium / Wikipedia

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Selbstregulierende Anoden in intelligenten Brennstoffzellen verbessern das Wassermanagement

Wasserstoffbrennstoffzellen werden häufig als Schlüsselelement beim Übergang zu nachhaltiger Energieerzeugung angesehen. Ihr Wirkungsgrad ist doppelt so hoch wie der von Verbrennungsmotoren. Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff direkt in Strom und Wasser um. Daher spielt Wasser eine zentrale Rolle in Brennstoffzellen. Es sorgt für den Ionentransport und ist natürlich auch das Produkt der Reaktion selbst. In einer Anionenaustauschmembran-Brennstoffzelle (AAMBZ) muß das Wasser in der Anodenkatalysatorschicht (AKS) für die Sauerstoffreduktionreaktion auf die Kathodenkatalysatorschicht (KKS) diffundieren. Für einen höheren Effizienz der Wasserstoffdiffusion ist daher intelligentes Wassermanagement erforderlich, um so das Reaktionswasser aus der AKS zu entfernen und in der gesamten Membranelektrodenanordnung (MEA) auszubalancieren.

Es ist daher nur folgerichtig, daß ein besonderer Schwerpunkt der Brennstoffzellenforschung auf Wassermanagement liegt, um so bessere Reaktionsbedingungen sowohl für die Anode als auch für die Kathode zu ermöglichen. Die asymmetrische Befeuchtung von Reaktionsgasen wird allgemein als bester Lösungsansatz angesehen. Dadurch soll eine ausgeglichene Wasserbilanz zwischen den beiden Elektroden erreicht werden. Bei höheren Temperaturen verdampft jedoch überschüssiges Anodenwasser. Dieser Vorgang verursacht Wassermangel an der Kathode, die jedoch Wasser benötigt, um einwandfrei zu funktionieren. Um dem Wasserverlust entgegenzuwirken, wurde ein Komtrollsystem entwickelt, das den Rückfluß an der Anode und der Kathode steuert. Solche externen Steuerungsmechanismen erhöhen jedoch die Komplexität der Systemsteuerung.

Ein passives Steuerungssystem durch MEA-Modifikationen könnte das Wassermanagement erleichtern. Die Feuchtigkeitskontrolle in Brennstoffzellen kann durch besser dafür geeigneten Gasdiffusionsschichten erreicht werden. Verschiedener Arten von hydrophoben Materialien für die Anode und hydrophilen für die Kathode können so die gesamte Kraftstoffzellenleistung verbessern. Polyethylen-Tetrafluorethylen (PTFE)-Kopolymermembranen, wie Nafion™, haben eine hohe Wasserdurchlässigkeit. Diese Eigenschaft unterstützt den Wasserabfluß um so die Anodenüberflutung zu verhindern. Gleichzeitig wird so die Austrocknung der Kathode verhindert. Das Entwerfen einer geeigneten Mikrostruktur oder eine Veränderung des Ionomergehalts innerhalb der KKS könnte dem zuträglich sein. Insgesamt würde dadurch die Zelleistung und -handhabung verbessert.

Eine aktuelle Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science hat sich mit diesem Thema auseinandergesetzt. Die vorgestellte Studie hat untersucht, wie mehrschichtiges KKS-Design mit der Gradientenkapillarkraft den Wasserhaushalt der Brennstoffzelle beeinflußt, um das Wasserbilanzproblem der Anoden zu lösen. Für den Zweck der Studie wurden Platin auf Kohlenstoff und Platin-Ruthenium auf Kohlenstoff als Anodenkatalysatoren ausgewählt. Ruthenium erhöht die Wasserstoffoxidationsreaktionsaktivität und besitzt auch vorteilhafte strukturelle Eigenschaften. Wassermanagement und Leistung der Brennstoffzellen sollten von der Struktur der AKS beeinflußt werden.

Mikrostrukturanalyse der AKS

Die AKS, bestehend aus verschiedenen Schichten von Pt / C und PtRu / C und einer gemischten Version mit einer ähnlichen Dicke von etwa 9 bis 10 μm wurden mit energierer dispergierender Röntgenspektroskopie (engl. EDX) analysiert.

PT / C AKS hatte Poren von weniger als 150 nm, während Poren von PtRu / C  zwischen 300-400 nm groß waren. Die gemischte AKS hatte eine Porengröße <200 nm.

Die Forscher kamen zu dem Schluß, daß PT / C und PtRu / C AKS eine stratifizierte Porengrößenverteilung in Form eines Gradienten über die Anionenaustauschermembran und die Gasdiffusionsschicht aufwiesen. Die gemischte AKS hatte jedoch über die gesamte MEA eine homogene Porenstruktur.

Membranelektrodenanordnung unter Verwendung einer Polymerelektrolytmembran

Feuchtigkeits-Adsorption und Desorptionsverhalten von AKS

Um die Feuchtigkeitsadsorption und -desorption zu untersuchen, wurde die Änderung des Feuchtigkeitsgehalts des Brennstoffzellens in bezug auf verschiedene relative Luftfeuchtigkeit geprüft.

Es wurde beobachtet, daß sich der Feuchtigkeitsgehaltspegel mit anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit von 20% auf 80% ebenfalls um bis zu 50% erhöhte.

Mit länger anhaltenden relativen Luftfeuchtigkeit von 80% begann sich der Feuchtigkeitsgehalt von Pt / PtRu und PtRu / Pt AKS zu verringern. Dies war der Beweis für das selbstregulierende Wassermanagement.

Die Desorption kam bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60% zu stande. Der Wassergehalt in der AKS zeigte in jeder relativen Feuchtigkeitseinstellung eine schnelle Adsorption und langsame Freisetzung.

Die physikalische Anpassung des Wasserverhaltens wurde in PtRu / Pt-AKS beobachtet. Dies wurde auf Gradientennanoporen zurückgeführt die den Wassertransport förderten, wenn Reaktionswasser in den AKS erzeugt wurde. Dieses Verhalten würde den Betrieb von Brennstoffzellen bei hoher Stromdichte erleichtern.

Brennstoffzellenleistung mit modifizierter AKS

Um den strukturellen Effekt auf das Wassermanagement während des Betriebs zu beurteilen, wurde die Leistung der Brennstoffzellen bei unterschiedlicher relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur untersucht.

Mit zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit von 40% auf 80% wurde auch eine Erhöhung der maximalen Leistungsdichte beobachtet, während die Temperatur bei 50°C konstant blieb. Dies war auf eine höhere ionische Leitfähigkeit bei hoher Membranhydratation zurückzuführen.

Bei relativer Luftfeuchtigkeit von 100% verringerte sich jedoch eine maximale Leistungsdichte der Pt / PtRu-MEA und der gemischten MEA. Bei der invertierten MEA-Version mit PtRu / Pt wurde ein Anstieg auf 243 mW / cm² beobachtet. Dies deutete an, daß die Feuchtigkeitsdesorptionsfähigkeit der PtRu / Pt-MEA den Stofftransport während des Brennstoffzellenbetriebs förderte.

Bei einer Temperatur von 60°C und 100% relativer Luftfeuchtigkeit erreichte die PtRu / Pt-Brennstoffzelle eine maximale Leistungsdichte mit 252 mW / cm².

Für PtRu / Pt-MEA wurde auch ein Haltbarkeitstest durchgeführt. Dieser zeigte, daß nach einem Dauerbetrieb von mehr als 16 Stunden bei 100 mA / cm² der Spannungsabfall lediglich <4% betrug.

Schlußfolgerungen

Durch die Untersuchung wurde deutlich, daß die PtRu / Pt-AKS mit seiner homogenen Schicht eine bessere Selbstregulierung in bezug auf Brennstoffzellen-Wassermanagement hatte. Die Nanoporenstruktur der Katalysatorschicht ermöglichte es, Wasser durch Kapillarkräfte zu transportieren. Überschüssiges Wasser der Anode konnte in Richtung der Kathode transportiert werden, wo es bei der Reaktion half oder es wurde über die Gasdiffusionsschicht entfernt, um eine Überflutung der Anode zu verhindern. Darüber hinaus zeigte diese Katalysatorschicht aus PtRu / Pt auch  allgemein bessere Leistungsdaten.

Bei Frontis Energy glauben wir, daß die Forschungsergebnisse Probleme beim Wassermanagement in den Brennstoffzellen lösen könnten. Da es sich um ein passives Steuerungssystem handelt, das durch interne Designmodifikationen der Brennstoffzellen chrakterisiert ist, könnten komplizierte externe Systeme ersetzt oder ergänzt werden. Die Studie hilft sicherlich bei der automatisierten Steuerung von Brennstoffzellen, da die Ergebnisse sie intelligenter machen könnten.

Quelle: Self-adjusting anode catalyst layer for smart water management in anion exchange membrane fuel cells, Cell Reports Physical Science, Volume 2, Issue 3, 24 March 2021, 100377

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Umweltfreundliche Alternative zu fluorierten Membranen in PEM-Brennstoffzellen

Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen haben eine hohe Leistungsdichte, niedrige Betriebstemperaturen und, wenn sie mit grünem Wasserstoff betrieben werden, keine Kohlenstoffemissionen. Ihre Herstellung dieser Polymere erfordert jedoch perfluorierte Sulfonsäure (PFSA) als Elektrolyt und als Ionomer in der Elektrode. PFSA-Membranen sind sehr teuer. Nafion® ist das führende kommerzielle PFSA-Polymer auf dem Markt. Die Herstellung ist jedoch sowohl kostspielig als auch umweltschädigend. Daher sind kostengünstige, umweltfreundliche PFSA-Polymerersatzstoffe einer der Hauptschwerpunkte gegenwärtiger Membran- und Brennstoffzellenforschung.

Forscher der Texas A&M University untersuchten zusammen mit dem Unternehmen Kraton Performance Polymers Inc deren NEXAR™-Polymermembranen in Wasserstoffbrennstoffzellen hinsichtlich ihrer Ionenaustauschkapazität. NEXAR™-Polymermembranen sind im Handel erhältliche sulfonierte Pentablock-Terpolymere. Die forscher veröffentlichten die Ergebnisse im Journal of Membrane Science. Frühere Studien zeigten, daß eine Änderung der Ionenaustauschkapazität, bedingt durch den Sulfonierungsgrad von NEXAR™-Membranen, die Morphologie im Nanomaßstab verändern und die mechanischen Eigenschaften erheblich beeinflussen kann. Dies kann die Leistung der Brennstoffzelle begünstigen. Daher kann dieses Polymer als Membranalternative zu Nafion® in Brennstoffzellen verwendet werden.

Versuchsdurchführung

  1. Bei den untersuchte Materialien handelte es sich um drei verschiedene Varianten des Polymers wurden jeweils mit unterschiedlichen Ionenaustauschkapazitäten (IECs: 2,0, 1,5 und 1,0 meq/g), die als NEXAR™ -2.0, NEXAR™ -1.5 und NEXAR™ -1.0 bezeichnet wurden.
  2. Die NEXAR™ -Membranen wurden hergestellt, indem die NEXAR™-Lösungen unter bei Raumtemperatur und -druck maschinell auf einen silikonbeschichteten Mylar-PET-Film gegossen wurden. Zur Messung der mechanischen Eigenschaften und der Leitfähigkeit wurden zwei verschiedene Größen hergestellt.
  3. Die mechanischen Eigenschaften NEXAR™-Membranen wurden mit verschiedenen Größen getestet: 25 × 0,5 mm und 30 × 10 mm.
  4. Herkömmliche Nafion®-Elektroden wurden als Kontrollen untersucht.
  5. NEXAR™ -Elektroden wurden auf zwei Arten für die Studie hergestellt, jede mit einer anderen Zusammensetzung.
  6. Die Elektrodenprofile wurden mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie (REM) charakterisiert.
  7. Membranelektrodenanordnung (MEA) der Brennstoffzelle wurden hergestellt, indem die Membran zwischen zwei katalysatorbeschichteten Gasdiffusionsschichten (Anode und Kathode) angeordnet und heißgepreßt wurde. Die gesamte Brennstoffzellenanordnung bestand aus einer MEA, zwei Dichtungen und zwei Durchflußplatten, die zwischen Kupferstromkollektoren angeordnet waren. Zusammengehalten wurde die MEA von verschraubten Endplatten. Leistungstests wurden unter Umgebungsdruck mit gesättigten Anoden- und Kathodenströmungsraten (100% relative Luftfeuchtigkeit) von 0,43 l/min Wasserstoff bzw. 1,02 l/min Sauerstoff durchgeführt.
  8. Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIR) wurde nach den Brennstoffzellentests durchgeführt um die Elektroden elektrochemisch zu charakterisieren.

Ergebnisse

NEXAR™ -2.0 und NEXAR™ -1.5 hatten bei allen Temperaturen eine ähnliche Protonenleitfähigkeit. Das deutet darauf hin, daß die Protonenleitfähigkeit limitiert war. Im Gegensatz dazu wiesen NEXAR™ -Membranen im Vergleich zu Nafion® NR-212-Membranen eine ausreichende Protonenleitfähigkeit auf. Entsprechen wiesen die Wasserstoffbrennstoffzellen eine ähnlich hohe Leistungsdichte auf.

NEXAR™-2.0- und NEXAR™ -1.5-Membranen (mit Nafion® als Ionomer) zeigten jedoch nicht unter allen Brennstoffzellenbetriebsbedingungen (Temperatur, Druck, Spannung und Luftfeuchtigkeit) die erwartete Brennstoffzellenleistung. Überraschenderweise zeigte die NEXAR ™-1.0-Membran (mit Nafion® als Ionomer) eine vergleichbare Brennstoffzellenleistung unter allen Betriebsbedingungen, sowie mit Nafion® vergleichbare Leistungsdichten. Das deutet darauf hin, daß NEXAR™ -1.0 eine Alternative zu Nafion® in Wasserstoffbrennstoffzellen sein könnte.

Während des Brennstoffzellenbetriebs war das Membranionomer NEXAR™ -1.0 thermisch und mechanisch stabil. Diese Ergebnisse wurden durch die Ergebnisse der Leistungsdichte gestützt. Die MEAs mit NEXAR ™ -1.0-Membranionomeren wiesen eine bessere Leistung auf als alle anderen MEAs.

Aus den oben genannten Ergebnissen wurde deutlich, daß die NEXAR™ -1.0-Variante der optimale Anwärter war, um aktuelle PFSA-Polymere nach dem Stand der Technik zu ersetzen.

Um den Einfluß des NEXAR™ -1.0-Ionomers auf die Brennstoffzellenleistung zu verstehen, wurde die Zusammensetzung der Ionomer- und Lösungsmittelgemischverhältnisse in der Katalysatortinte modifiziert. Die Ergebnisse legen nahe, daß sich NEXAR™ -1.0 als Ionomer ähnlich wie Nafion®-Ionomere in Brennstoffzellenelektroden verhält.

Die REM-Analyse legte nahe, daß die Menge an Ionomer einen deutlichen Einfluß auf die Bindung des Ionomers an die Katalysatorteilchen und folglich auf die Morphologie der Katalysatorschicht hat. Das optimale Katalysator-Ionomer-Verhältnis war 2/1 für das Pt / C-Ionomer unter Verwendung von NEXAR™ -1.0 in Brennstoffzellenelektroden.

Schlussfolgerungen

Letztendlich ist NEXAR™ -1.0 aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit eine denkbare kommerziell praktikable und umweltfreundliche Alternative zu Nafion® r in PEM-Brennstoffzellen. Alternative Zusammensetzungen könnten die Eigenschaften des Polymers weiter verbessern. Ziel ist es, die Innenwiderstände der Brennstoffzelle zu minimieren, um so mit Leistung von Nafion®-Membranen entsprechen.

Insgesamt zeigten Nafion® / Nafion®-MEAs unter Berücksichtigung der Gesamtleistung immer noch die höchste Brennstoffzellenleistung. Aber alternative Polymerzusammensetzungen auf Kohlenwasserstoffbasis für das NEXAR™ -Polymer könnten ein zukünftiges nicht fluoriertes Polymer als Nafion®-Ersatz für PEM-Brennstoffzellen darstellen.

Weitere Analysen sind erforderlich, um möglicherweise eine genaue Annäherung an die Variante des NEXAR™ -Polymers zu erhalten. Zukünftige Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Untersuchung von Varianten der Ionenaustauschkapazitäten im Bereich von beispielsweise 1 meq / g bis 1,5 meq / g. Derzeit kann jedoch gesagt werden, daß das NEXAR™ -Polymer als praktikabler Ersatz für eine nicht fluorierte Membran vielversprechend ist. Möglicherweise kann weitere Forschung mit anderen physikalischen Varianten sowie chemischen Modifikationen des Materials einen Durchbruch bringen.

Quelle: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.119330: Sulfonated pentablock terpolymers as membranes and ionomers in hydrogen fuel cells, Journal of Membrane Science, 2021, 119330

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Langlebige Platin-Palladium-Legierungen als Elektrokatalysator für PAM-Brennstoffzellen

Um den Verbrauch fossiler Energie zu verringern, könnten Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PAMBZ) eine vielversprechende saubere Stromquelle darstellen. Ihre Leistung hängt jedoch stark von der Effizienz und Haltbarkeit des verwendeten Elektrokatalysators ab. Solche Katalysatoren sind für die an den Elektroden auftretenden Wasserstoff- und Sauerstoffreaktionen notwendig. Edelmetalle wie Platin und Gold werden immer noch als die effizientesten Katalysatoren eingesetzt. Gleichzeitig sind ihre hohen Kosten eine großes Hindernis für die massenhafte Vermarktung vom PAMBZ.

Verschiedene Lösungen des Katalysatordesigns werden intensiv untersucht, um diese Technologie wirtschaftlich erfolgreich zu machen. Die Suche nach hoher Katalysatoraktivität und -haltbarkeit von Brennstoffzellen ist daher Schwerpunkt der aktuellen Forschung. Der aktuelle Stand der Technik sind Platin-Elektrokatalysatoren auf Kohlenstoffmaterialien mit unterschiedlichen Beladungen.

Hochaktive Legierungen mit der Platingruppe als Elektrokatalysator

Obwohl die jüngsten Forschungsergebnisse eine hohe Aktivität einiger Metallegierungskatalysatoren zeigen konnten, bleiben ungelöste Probleme. Ein Kernproblem ist nach wie vor die Nutzung hoher Mengen von Metallen der Platingruppe (MPG, bis zu 75% Pt), deren kurze Lebensdauer und schwache Leistung unter Einsatzbedingungen. Forscher der State University of New York in Binghamton, USA, und ihre Kollegen beschreiben der Fachzeitschrift Nature Communication einen neuen Snatz: Eine hochbeständige Katalysatorlegierung aus Platin und Palladium mit weniger als 50% Edelmetall und zudotierten 3d-Übergangsmetallen (Kupfer, Nickel oder Cobalt) in ternärer Zusammensetzung.

Die Forscher untersuchten das Problem der De-Legierung herkömmlicher Katalysatorlegierungen unter den Betriebsbedingungen. De-Legierung führt zu rückläufigen Leistungen. Zum ersten Mal wurde eine dynamische Re-Legierung als Weg zur Selbstheilung von Katalysators unter realistischen Betriebsbedingungen gezeigt, um die Lebensdauer der Brennstoffzellen zu verbessern.

Legierungszusammensetzung

Legierte Pt20PdnCu80−n-Nanopartikeln mit definierten Platin-, Palladium- und Kupferanteilen wurden synthetisiert. Der ausgewählte Satz von ternären Legierungen in den Nanopartikeln mit abstimmbaren Legierungszusammensetzungen- und anteilen enthielt einen Gesamtgehalt an Platin und Palladium von weniger als 50%. Das ist weniger, als bei herkömmlichen legierten MPG-Hochleistungsatalysatoren. Der Einbau von Palladium in Platin-Nanomaterialien resultierte in verminderter De-Legierung und damit in erhöhter Stabilität. Darüber hinaus ist Palladium ein guter Partner für Platin aufgrund ihrer katalytischen Synergie und deren Korrosionsbeständigkeit.

Um die Verbrauch von Platin- und Palladiumkernkatalysatoren zu reduzieren, wurde ein drittes, synergetisches Übergangsmetall für die Legierung eingesetzt. Nicht edle Metalle wie Kupfer, Kobalt, Nickel oder ähnliches wurden zu diesem Zweck verwendet. Die Platin-Palladium-Legierung mit Basismetallen ermöglichte es den Forschern, die thermodynamische Stabilität der Katalysatoren besser abzustimmen.

Morphologie und Phasenstruktur

Die thermochemische Behandlung von Kohlenstoff-Nanopartikeln war für die strukturelle Optimierung von entscheidender Bedeutung. Die Metallatome in den katalytischen Nanopartikeln waren lose in ein erweitertes Kristallgitter gepackt. Die oxidativen und reduktiven Behandlungen der Platin-Palladium-Legierung (MPG <50%) erlaubten einen thermodynamisch stabilen Zustand in Bezug auf Legierung, Relegierung und Kristallgitter. Der Relegierungsprozess homogenisierte nicht nur die inhomogene Zusammensetzung. Er lieferte auch einen wirksamen Weg zur Selbstheilung nach der Delegierung.

In Pt20PdnCu80–n-Nanolegierungen (n = 20, 40, 60, 80) wurden einzelne Würfelstrukturen beobachtet. Die Kupferdotierung der Platin-Palladium-Legierungen reduzierte die Gitterkonstante effektiv, was durch Hochenergie-Röntgenbeugung gezeigt wurde. Komprimierbarkeit und Aktivität des Pt20Pd20Cu60-Katalysators bestätigten den Zusammenhang zwischen den Gitterkonstanten und der Sauerstoffreduzierungsaktivität.

Die Forscher zeigten, daß der thermodynamisch stabile Pt20Pd20Cu60/Kohlenstoffkatalysator seine Komprimierbarkeit nach 20.000 Zyklen beibehielt. Auch seine hohe Aktivität und Haltbarkeit blieb stabil. Die Entdeckung, daß der Legierungskatalysator unter Betriebsbedingungen legiert bleibt, eine wichtige Erkenntnis im Hinblick auf die aktuell vollständig de-legierten MPG-Katalysatoren, die in der gegenwärtigen Literatur beschrieben wird.

Die Bedeutung beim Verständnis der thermodynamischen Stabilität des Katalysatorsystems ist eine potenzielle Paradigmenverschiebung des Designs, der Herstellung und der Verarbeitung von Legierung in Elektrokatalysatoren.

(Foto: Pixabay)

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Festoxidbrennstoffzellen wandeln Methan aus dem Grundwasser in Strom um

Festoxidbrennstoffzellen (FOBZ) sind hocheffiziente Stromerzeuger mit niedrigen Betriebskosten. Sie arbeiten in einem Temperaturbereich von 800 bis 1.000°C. Dies ermöglicht die interne Umwandlung von Kohlenwasserstoffen in Wasserstoff. Methan, Methanol, Benzin und andere Kohlenwasserstoffe können direkt in der Brennstoffzelle in Wasserstoff (H2) umgewandelt werden.

SOFCs bieten eine Reihe zusätzlicher Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren oder anderen Brennstoffzellen. Zum Beispiel macht die hohe Abwärme (über 800°C) sie zu einer nützlichen Anwendung in der Industrie für die Kraft-Wärme-Kopplung. Durch kombinierte Zyklen kann ein hoher Wirkungsgrad für die Stromerzeugung erreicht werden. Aufgrund des modularen Charakters von FOBZ bieten sie außerdem eine flexible Planung der Stromerzeugungskapazität. Auf diese Weise führt die Verwendung von FOBZ zu einer weiteren Reduzierung der Kohlendioxidemission.

Der größte Vorteil von FOBZ besteht darin, daß sie mit Kohlenwasserstoffen wie Methan (CH4, Erdgas) betrieben werden können. Durch die direkte Verwendung von Methan sind keine Vorreformer erforderlich, wodurch die Komplexität, Größe und Kosten des gesamten FOBZ-Systems verringert werden.

Methan kann aus dem Zerfall organischer Abfälle auf Abfalldeponien, Trinkwasseraufbereitungsanlagen usw. gewonnen werden. Das Gas kann uch aus dem Grundwasser gewonnen werden. Methangas gelangt durch natürlich vorkommenden anaeroben Abbau organischen Materials im Untergrund oder durch Eingasen aus Lagerstätten ins Grundwasser.

Forscher der Technischen Universität Delft ging davon aus, daß das aus der Grundwasseraufbereitung gewonnene Gas auch als Brennstoff in FOBZ verwendet werden kann, und stellten ihre Hypothese auf die Probe. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Journal of Cleaner Production. Derzeit wird das aus der Trinkwasseraufbereitungsanlage in Spannenburg, Niederlande, gewonnene Methan entweder in die Atmosphäre freigesetzt oder abgefackelt, wodurch eine wertvolle Ressource verschwendet wird. Zudem tragen sowohl das Methan als auch das CO2 zu weiteren Treibhausgasemissionen bei.

FOBZ stellen die sauberste der derzeit gängigen Lösungen für die Umwandlung von zurückgewonnenem Methan in elektrische Energie dar. Die so gewonnene Energie kann wiederum von der Trinkwasseraufbereitungsanlage genutzt werden. Dieser Prozess verringert den Strombedarf und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen des DWTP.

Der gesamte Prozess war in folgende Schritte unterteilt:

  1. Methan wurde zunächst dem Grundwasser entnommen: Das Grundwasser wurde aus den Tiefbrunnen direkt in ein System von Vakuumtürmen gepumpt, die 90% des gelösten Gases mit einem Nahvakuum von 0,2 bar entfernen.
  2. Die anschließende Behandlung durch Plattenbelüftung entfernten die verbliebenen 10% Methan aus dem Grundwasser.
  3. Zur Entfernung von weiterem  CO2 wurde das Wasser einer weiteren Turmbelüftung unterzigen wodurch das Wasser zusätzlich weicher wurde.

Probenahme von zurückgewonnenem Gas:

Zweihundert Mililiter des mit Methan angereicherten Gases wurden verwendet, um die Konzentration von CH4, H2, Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlenmonoxid (CO) und CO2 zu bestimmen.

FOBZ-Aufbau & thermodynamischer Ansatz:

Eine FOBZ-Teststation wurde verwendet, um die Experimente durchzuführen. Das methanreiche Gas wurde der Anode zugeführt und das Leerlaufpotential aufgezeichnet. Methan muss in Wasserstoff und CO umgewandelt werden, bevor in einer FOBZ effektiv Strom erzeugt werden kann.

Ergebnisse:

Die Hauptkomponenten im Probengas waren Methan und CO2 mit Konzentrationen von 71 bzw. 23 Mol-%. Zusätzlich enthielt das zurückgewonnene Gas 9 ppm Schwefelwasserstoff (H2S), was die Zellleistung einer FOBZ dauerhaft verringern kann. Schwefelwasserstoff wurde mit imprägnierter Aktivkohle wirksam entfernt (<0,1 ppm)

Die Verwendung von CH4 aus dem Grundwasser in einer FOBZ trägt dazu bei, die Treibhausgasemissionen zu verringern und die Nachhaltigkeit von Trinkwasseraufbereitungsanlagen zu verbessern. Mit dem zurückgewonnenen Methangas des Spannenburg Trinkwasseraufbereitungsanlage kann ein 915 kW SOFC-System betrieben werden. Dies kann 51,2% des gesamten Strombedarfs der Anlage decken und die Treibhausgasemissionen um 17,6% senken, was rund 1,794 Tonnen CO2 entspricht.

Die jährliche Stromerzeugung des FOBZ-Systems könnte 8 GWh betragen, was etwa 3 GWh mehr ist als die, die von einer Gasturbine oder einem Verbrennungsmotor erzeugt wird.

In Zukunft werden die Forscher Langzeittests durchführen, um den sicheren Betrieb von FOBZ, insbesondere im Hinsblick auf das Problems der Kohlenstoffablagerung, zu untersuchen. Diese Tests werden auf die FOBZ-Reihen und die Pilotanlage (im Bereich einiger kW-Systeme) ausgedehnt.

(Abbildung: Indiamart)

Quelle: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.125877 (A solid oxide fuel cell fueled by methane recovered from groundwater, 2021)

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Hocheffiziente Entsalzung durch Nanoröhrchen

Die Trennung flüssiger Kompartimente ist nicht nur für die Energiegewinnung biologischer Zellen von Bedeutung, da dort die Zellatmung stattfindet, sondern auch für elektrochemische Zellen und Entsalzung durch revertierte Osmose und andere Prozesse. Es ist also nur folgerichtig, daß die die angewandte Forschung sich intensiv damit beschäftigt. Wir haben schon in mehreren Artikeln über vielversprechende Versuche berichtet, Membranen billiger und effektiver zu machen. Auch Nanomaterialien sind schon intensiv beforscht worden.

In Folge klimatischer Veränderungen, hervorgerufen durch die globale Erwärmung, wird Wasserknappheit immer häufiger zu einem Problem in vielen Teilen der Welt. Am Meer gelegene Siedlungen können ihre Versorgung mit entsalztem Wasser aus Meerwasser und Brackwasserquellen sichern.

Jetzt haben Forscher des kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) Poren aus Kohlenstoffnanoröhrchen entwickelt, die so effizient Salz aus Wasser entfernen, daß sie mit kommerziellen Entsalzungsmembranen vergleichbar sind. Diese winzigen Poren haben einen Durchmesser von nur 0,8 Nanometern (nm). Ein menschliches Haar einen Durchmesser von 60.000 nm. Die Ergebnisse haben die Forscher in der Zeitschrift Science Advances publiziert.

Die vorherrschende Technologie zur Entfernung von Salz aus Wasser ist die Umkehrosmose. Dabei wird eine Dünnschicht-Verbundmembran (DVM) verwendet, um Wasser von Ionen zu trennen. Bisher war die Leistung dieser Membranen jedoch unbefriedigend. Beispielsweise sind DV-Membranen durch die Kompromisse zwischen Permeabilität und Selektivität eingeschränkt. Zudem weisen sie häufig eine unzureichende Abstoßung einiger Ionen und Spuren von Verunreinigungen auf.  Das erfordert zusätzliche Reinigungsstufen die wieder die Energiekosten erhöhen.

Wie so oft, haben sich die Forscher die Natur zum Vorbild genommen. Biologische Wasserkanäle, auch als Aquaporine bekannt, liefern eine Blaupause für die Strukturen, die eine höhere Leistung bieten können. Diese Aquaporine haben extrem enge innere Poren, die das Wasser zusammendrückt. Dadurch wird eine extrem hohe Wasserdurchlässigkeit mit Transportraten von mehr als 1 Milliarde Wassermolekülen pro Sekunde pro Pore ermöglicht. Kohlenstoffnanoröhren stellen aufgrund der geringen Reibung des Wassers auf den Innenflächen einen der vielversprechenden Ansatz für künstliche Wasserkanäle dar.

Die Forschergruppe entwickelte Nanoröhrchen-Porine, die sich selbst in nachgeahmte biologische Membranen einfügen. Diese künstlichen Wasserkanäle bilden die Funktionalität von Aquaporinkanälen nach. Die Forscher maßen den Wasser- und Chloridionentransport durch die künstlichen Porine mit einem Durchmesser von 0,8 nm. Computersimulationen und Experimente unter Verwendung de künstlichen Porine in Lipidmembranen zeigten einen verbesserten Fluß sowie eine starke Ionenabstoßung in den Kanäle von Kohlenstoffnanoröhrchen.

Mit diesem Verfahren kann man den genauen Wert der Wasser-Salz-Permselektivität in den engen Kohlenstoffnanoröhrchen bestimmen. Simulationen auf Atomebene bieten eine detaillierte molekulare Ansicht der neuartign Kanäle. Bei Frontis Energy freuen wir uns über diesen vielversprechenden Ansatz und hoffen schon bald ein kommerzielles Produkt auf dem Markt sehen zu können.

(Bild: Wikipedia)

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Wiederaufladbare PAM-Brennstoffzelle mit Wasserstoffspeicherpolymer

Brennstoffzellen gehören zu den effizientesten und saubersten alternativen Energiequellen. Sie haben das Potential, Stromerzeuger auf Basis fossiler Brennstoffe zu ersetzen. Insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PAMBZ) sind aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und Effizienz bei niedrigen Betriebstemperaturen (ca. 60–80°C) vielversprechende Energieumwandler für zahlreiche Anwendung im Transportsektor, als Energiespeicher oder zur Stromerzeugung in entlegenen Regionen. PAMBZ könnten zu einem der saubersten Energieträger werden. Dies liegt daran, dass Wasser das Endprodukt solcher Energieumwandlungssysteme ist. Derzeit werden in diesen Brennstoffzellen hauptsächlich Nafion™ -Membranen als Wasserstoffbarrieren verwendet, die für ihre Robustheit bekannt sind.

PFSA Protonenaustauschmembran

Eine ausreichende Versorgung mit Wasserstoff ist für die Anwendung von PAMBZ-Systemen von entscheidender Bedeutung. Derzeit sind teure Hochdrucktanks (70 MPa) für die Wasserstoffspeicherung der neueste Stand der Technik. Neben den Kosten gibt es auch noch andere Nachteile wie die mangelnde Beweglichkeit und Sicherheit. Um diese Probleme anzugehen, wurden alternative Wasserstoffspeichermaterialien eingehend untersucht. Beispielsweise können Metallhydride und organische Hydridmaterialien Wasserstoff durch kovalente Bindung fixieren und freisetzen.

Jetzt haben Dr. Junpei Miyake und Kollegen von der Universität von Yamanashi, Japan, ein wiederaufladbares PAMBZ-System (RCFC) vorgeschlagen, das ausschließlich aus Polymeren besteht. Die Arbeit wurde in Nature Communications Chemistry veröffentlicht. Die Strategie der Forscher bestand darin, eine Polymerfolie zur Wasserstoffspeicher (HSP, ein organisches Festkörperhydrid) als Wasserstoffspeichermedium in der Brennstoffzelle anzubringen. Mit diesem Ansatz wurden die Probleme wie Toxizität, Entflammbarkeit und Flüchtigkeit sowie Bedenken in Bezug auf andere Komponenten wie Kraftstoffbehälter, Pumpen und den Verdampfer gelöst. Die HSP-Struktur basiert auf Fluorenol / Fluorenon-Gruppen, die als Wasserstoffspeicher dienen.

Um die Leistung ihrer wiederaufladbaren HSP-basierten Brennstoffzelle zu testen, brachten die Wissenschaftler die HSP-Folie an der Membranelektrode der anodischen Katalysatorschicht an. Gleichzeitig wurde die Kathodenseite wie bei regulären PAMBZ betrieben. Die Forscher berichteten ebenfalls, daß auch ein Iridiumkatalysator auf die Innenseite der HSP-Folie angebracht wurde. Dadurch wurden die Freisetzung und Fixierung des Wasserstoffs verbessert.

Zur Leistungsbeschreibung wurden der Brennstoffzellenbetrieb an sich, die Zyklusleistung und Haltbarkeit über mehrere Zyklen von je sechs Schritten getestet. Zuerst wurde die HSP-Folie für zwei Stunden mit Wasserstoff beladen. Darauf folgten eine Stickstoffgasspülung, um den überschüssigen Wasserstoff von der Anode zu entfernen. Nach dem Erhitzen der Zelle auf 80°C, wurde der Wasserstoff aus der HSP-Folie freigestzt. Zusammen mit dem der Kathodenseite zugeführten Sauerstoff erzeugte die Brennstoffzelle konstanten elektrischen Strom.

Die Forschergruppe zeigte, daß die HSP-Folie in 20, 30, 60 bzw. 360 Minuten respektive 20%, 33%, 51% oder 96% des gesamten fixierten Wasserstoffgases freisetzte. Die Temperatur betrug 80°C in Gegenwart des Iridiumkatalysators. Der Iridiumkatalysator konnte auch bis zu 58 Mol-% Wasserstoff absorbieren, was jedoch erheblich niedriger war als der im HSP gespeicherte Wasserstoff. Die maximale Betriebszeit betrug ca. 10,2 s / mgHSP (ca. 509 s für 50 mg HSP) bei einer konstanten Stromdichte von 1 mA / cm2. Die RCFCs erreichten eine Zyklisierbarkeit von mindestens 50 Zyklen. Darüber hinaus erwies sich die Verwendung einer gasundurchlässigen sulfonierten Polyphenylenmembran (SPP-QP, eine weitere PEM) als gute Strategie zur Verlängerung der Operationszeit der RCFC.

Zu den vorteilhaften Merkmalen des beschriebenen RCFC-Systems gehören seine verbessere Sicherheit, seine einfachere Handhabung und sein geringeres Gewicht. Diese Merkmale eignen sich beispielsweise perfekt für mobile Anwendungen in Brennstoffzellenfahrzeugen. Um wirtschaftlich einsetzbar zu sein, müssen jedoch die Wasserstoffspeicherkapazität und -kinetik (H2-Freisetzungs- / Fixierungsreaktionen) sowie die Katalysatorstabilität des RCFC-Systems weiter verbessert werden.

(Miroslava Varnicic, 2020)