Elektrochemische Untersuchung und physikalische Charakterisierung von Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion in der DMFC

Kurzfassung

In allen Niedertemperatur-Brennstoffzellen hat die Sauerstoffreduktion einen wesentlichen Anteil an den Wandlungsverlusten von chemischer in elektrische Energie. Für die Reaktionskinetik und die mit der Sauerstoffreduktionsreaktion korrelierten Verluste sind die Katalysatoren sowie die Elektrodenstruktur von entscheidender Bedeutung. Bei der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) werden an der Kathode weitere Verluste durch den Durchtritt von Methanol von der Anode zur Kathode und die dort ablaufende Methanoloxidation verursacht. Da zum einen die Brennstoffausnutzung reduziert wird und zum anderen sich an der Kathode durch die gleichzeitig ablaufende Sauerstoffreduktionsreaktion und die Methanoloxidationsreaktion ein Mischpotential ausbildet, kommt es zur Absenkung der nutzbaren Zellspannung. Um die Wandlungsverluste in der Brennstoffzelle zu senken, wurden alternative Katalysatoren für die Sauerstoffreduktion in Niedertemperatur-Brennstoffzellen getestet. Diese wurden in DMFC-Einzelzellen mit Strom-Spannungs-Kennlinien bezüglich der Leistungsfähigkeit untersucht. Da die Strom-Spannungs-Kennlinien allerdings keine detaillierten Informationen über die Reaktion liefern, wurden die DMFC-Zellen zusätzlich mit Hilfe der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) untersucht. Unterschiede zwischen verschiedenen Katalysatoren lassen sich mit Hilfe der EIS klarer bestimmen. Außerdem wurden CO₂-Konzentrationen an der Kathode gemessen, die Informationen über die Methanoltoleranz der getesteten Katalysatoren liefern. Neben der chemischen Zusammensetzung der Katalysatoren spielen eine Reihe von physikalischen Eigenschaften für den Einsatz in Brennstoffzellenelektroden eine Rolle, insbesondere die Größe und die spezifische Oberfläche der Katalysatoren. Diese wurden mit Porosimetrie und temperaturprogrammierter Reduktion und Desorption ermittelt. Eine weitere wichtige Eigenschaft für den Einsatz alternativer Katalysatoren ist neben der Verbesserung der Sauerstoffreduktionsreaktion in der Brennstoffzelle auch die Stabilität der Katalysatoren. Um diese zu untersuchen, wurden die Katalysatoren vor und nach dem Einsatz in der Brennstoffzelle mit oberflächenphysikalischen Methoden, insbesondere der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), charakterisiert.