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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)