Schlagwort: Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle

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Sulfonierter Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen in Nafion™-basierte Protonenaustauschmembranen

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Der Bedarf an nachhaltiger Energie hat die Entwicklung elektrochemischer System zur Energieumwandlung beschleunigt. Dazu zählen insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (englisch: proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs). PEMFCs bieten zahlreiche Vorteile, einschließlich hohe Energiedichte, niedrige Betriebstemperaturen, schnelle Anlaufzeiten und kompakte Bauweise. Diese Eigenschaften machen sie besonders geeignet für mobile sowie dezentrale Energieanwendungen. Die Entwicklung hochleistungsfähiger Protonenaustauschmembranen ist entscheidend für den Fortschritt der Brennstoffzellentechnologie, insbesondere unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Das zentrale Bauteil, die Protonenaustauschmembran, ist charakterisiert durch eine hohe Protonenleitfähigkeit, hervorragende chemische und physikalische Stabilität, niedrige Gasdurchlässigkeit und eine angemessene Wasseraufnahme unter einer Vielzahl von Bedingungen gewährleisten muß. Nafion™, ein Perfluorosulfonsäure (PFSA)-Ionomer, gilt als Goldstandard für Protonenaustauschmembranen aufgrund seiner ausgezeichneten Protonenleitfähigkeit und chemischen Beständigkeit.

Allerdings verschlechtert sich dessen Leistung bei erhöhten Temperaturen (> 80 °C) und niedriger relativer Luftfeuchtigkeit aufgrund übermäßigen Wasserverlusts erheblich. Diese Einschränkungen schränken seine Anwendbarkeit in Hochtemperatur-Brennstoffzellen der nächsten Generation ein. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden umfangreiche Anstrengungen unternommen, PFSA-basierte Kompositmembranen zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurden anorganischen oder organischen Füllstoffen wie Silica, Metalloxide und kohlenstoffbasierten Nanomaterialien verwendet. Diese Zusätze sollten die Wasserretention, mechanische Festigkeit und thermische Stabilität verbessern.

Italienische Forscher der Universität Kalabrien haben Nafion™-Membranen entwickelt, die mit sulfoniertem Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen verstärkt waren, um Probleme mit der Wasserretention und dem Protonentransport anzugehen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse kürzlich in der Fachzeitschrift Materials for Renewable and Sustainable Energy. Die hybriden Füllstoffe erzeugten einen synergistischen Effekt. Ton verbesserte die hydrophilen Eigenschaften, während Kohlenstoffnanoröhrchen die strukturelle Integrität und Leitfähigkeit erhöhten.

In Tests mit Wasserstoffbrennstoffzellen bei 120 °C und 20% relativer Luftfeuchtigkeit – Bedingungen, die normale PFSA-Membranen typischerweise stark beeinträchtigen – erreichte die neue Zusammensetzung eine Spitzenleistung von 443 mW / cm². Das war deas vierfache von Nafion™-Membranen. Dieser Durchbruch deutete darauf hin, daß durch die Integration von Nanofüllstoffen die Haltbarkeit und Effizienz von Protonenaustauschmembranen noch weitere Leistungssteigerungen erzielt werden können. Gleichzeitig ebneten die Versuche den Weg für robuste Brennstoffzellen im Automobil- und stationären Energiesektor, wo solche Leistungssteigerungen besonders nötig sind.

Die Einbindung von sulfoniertem Ton und Kohlenstoffnanoröhrchen verbesserte nicht nur die Ionenaustauschkapazität und die hydrolytische Stabilität, sondern modulierte auch kritisch die Wasserdynamik. Das Ergebnis war überlegenen Wasserretention und dauerhafte Protonendiffusion, insbesondere bei erhöhten Temperaturen. Die deutlich höhere Protonenleitfähigkeit unter Bedingungen mit niedrier Luftfeuchtigkeit war ein entscheidenden Faktor für den Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen in der vorgestellten Studie.

Diese Studie hat erfolgreich das signifikante Potenzial von sulfonierten Ton und Kohlenstoffnanoröhren zur Verbesserung der Leistung und Haltbarkeit von Nafion-basierten Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellenanwendungen demonstriert. Die Einbindung der Zusatzstoffe erhöhte auch die strukturelle Integrität der Membran. Eine dynamische mechanische Analyse bewies einen signifikanten Verstärkungseffekt durch die Einbindung von der Zusatzstoffe. Die konsistente Erhöhung des Speicher-Modulus‘ und einer Verschiebung der Glasübergangstemperatur zu höheren Temperaturen. Für die verbesserte Membran wurde die Glasübergangstemperatur von von 120 °C für herkömmliches Nafion auf ca. 150 °C erhöht.

Zudem wies die Nanokompositmembran bei niedriger Luftfeuchtigkeit wies eine bemerkenswerte Leitfähigkeit von 42,3 mS / cm auf. Dies stellte eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu reinem Nafion™ dar.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Nanohybridmembran konsequent wesentliche Beschränkungen konventioneller PFSA-Membranen überwand. Herauszuheben sind insbesondere die Anfälligkeit für Austrocknung und mechanische Zersetzung unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Bei Frontis Energy sind wir überzeugt, daß das synergetische Zusammenspiel verbesserter Protonentransportwege, verbesserter Wasserretention und überlegener thermomechanischer Stabilität diese Kompositmembran zu einem vielversprechenden Kandidaten für robuste und effiziente Brennstoffzellen der nächsten Generation macht.

Nicotera, et al. 2025 Enhanced electrochemical performance and thermomechanical stability of nafion/sulfonated clay-carbon nanotube nanocomposite membranes for high-performance fuel cells under challenging conditions. Materials for Renewable and Sustainable Energy 14, 48, DOI: 10.1007/s40243-025-00325-7.

Bild: Pixabay

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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)