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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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Umgekehrte Elektrodialyse mit Nafion™-Membranen erzeugt erneuerbare Energie

Um dem weltweiten Bedarf an sauberen Energiequellen gerecht zu werden, stößt die durch umgekehrte Elektrodialyse (UED) gewonnene Energie mit Salzgehaltsgradienten in den letzten Jahren auf großes Interesse. Darüber hinaus wird Solelösung aus der Meerwasserentsalzung derzeit als Abfall betrachtet. Dank seines hohen Salzgehalts kann es jedoch als wertvolle Ressource für die UED genutzt werden. Die UED ist eine technische Anpassung der osmotischen Energieproduktion der Natur, bei der Ionen über die Zellmembran fließen, um die universelle biologische Währung ATP zu produzieren. Diese Energie wird auch durch die UED-Technologie gewonnen.

Mehr denn je besteht Bedarf an nachhaltigen und umweltfreundlichen technologischen Lösungen, um mit der ständig wachsenden Nachfrage nach sauberem Wasser und sauberer Energie Schritt zu halten. Die traditionelle lineare Art der Energieproduktion ist nicht nachhaltig und der neue Ansatz der Kreislaufwirtschaft hat einen Platz gefunden, an dem Abfälle als wertvolle Ressource für einen anderen Prozess betrachtet werden können. In dieser Hinsicht ist die umgekehrte Elektrodialyse eine vielversprechende elektromembranbasierte Technologie zur Erzeugung von Strom aus konzentrierten Lösungen durch Ernte der freien Gibbs-Energie zum Mischen der Lösungen mit unterschiedlichem Salzgehalt. Insbesondere in Entsalzungsanlagen hergestellte Solelösungen, die derzeit als Abfall betrachtet werden, können als konzentrierte Ströme im RED-Stapel verwendet werden.

Avci et al. der Universität von Kalabrien haben kürzlich ihre Lösung für die Entsorgung von Sole mit UED-Stack veröffentlicht. Sie haben erkannt, dass zur Maximierung der erzeugten Leistung die hohe Permselektivität und Ionenleitfähigkeit von Membrankomponenten in UED wesentlich sind. Obwohl Nafion™-Membranen zu den bekanntesten kommerziellen Kationenaustauschmembranlösungen für elektrochemische Anwendungen gehören, wurden keine Untersuchungen zur Verwendung für RED-Prozesse durchgeführt. Dies war der erste gemeldete UED-Stapel mit Nafion™-Membranen.

Eine typische UED-Einheit ähnelt einer Elektrodialyseeinheit (ED), bei der es sich um eine kommerzialisierte Technologie handelt. ED verwendet eine Beschickungslösung und elektrische Energie, während Konzentrat und Verdünnung getrennt erzeugt werden. Im Gegensatz dazu verwendet UED konzentrierte und verdünnte Lösungen, die kontrolliert miteinander gemischt werden, um spontan elektrische Energie zu erzeugen. In einem UED-Stapel wiederholen sich UED-Zellen, die aus alternierenden Kationen- und Anionenaustauschermembranen bestehen, die für Anionen und Kationen selektiv sind. Der Salzgradient über jeder Ionenaustauschermembran erzeugt eine Spannungsdifferenz, die die treibende Kraft für den Prozess ist. Die Ionenaustauschermembranen sind eine der wichtigsten Komponenten eines UED-Stapels. Die Leistung von Nafion™-Membranen (Nafion™ 117 und Nafion™ 115) wurde unter Bedingungen eines hohen Salzgehaltsgradienten für die mögliche Anwendung in UED bewertet. Um die natürlichen Umgebungen des UED-Betriebs zu simulieren, wurden NaCl-Lösung sowie Mehrkomponenten-NaCl + MgCl2 getestet.

Die Bruttoleistungsdichte unter hohem Salzgehaltsgradienten und die Wirkung von Mg2+ auf die Effizienz bei der Energieumwandlung wurden in Einzelzellen-UED unter Verwendung von Nafion™ 117, Nafion™ 115, CMX und Fuji-CEM-80050 als Kationenaustauschermembranen bewertet. Zwei kommerzielle Kationenaustauschermembranen – CMX und Fuji-CEM 80050, die häufig für UED-Anwendungen verwendet werden, haben als Vergleich gedient.

Die Ergebnisse zeigen, dass unter der Bedingung von 0,5 M / 4,0 M NaCl-Lösungen das höchste Pd,max unter Verwendung einer Nafion™ -Membran erreicht wurde. Dieses Ergebnis wird auf ihre hervorragende Permselektivität im Vergleich zu anderen CEMs zurückgeführt. In Gegenwart von Mg2+ -Ionen wurde Pd,max eine Reduktion von 17 und 20% für Nafion™ 115 bzw. Nafion™ 117 aufgezeichnet. Beide Membranen behielten ihren geringen Widerstand bei; Unter dieser Bedingung wurde jedoch ein Verlust an Permselektivität gemessen. Es wurde jedoch berichtet, dass Nafion™ -Membranen andere kommerzielle Membranen wie CMX und Fuji-CEM-80050 für die UED-Anwendung übertrafen.

(Mima Varničić, 2020, photo: Wikipedia)