Elektrodenentwicklung für eine PEM-Brennstoffzelle mit aromatischer Kohlenwasserstoff-Membran

Kurzfassung

In dieser Arbeit wurden PEM-Brennstoffzellen mit aromatischen Kohlenwasserstoff- Membranen vom Typ JST210 der japanischen JSR Corporation hergestellt und untersucht. Nach einer Recherche zu gängigen Methoden für die Elektrodenherstellung und -applikation, wurden einzelne im Labor reproduzierbare Verfahren extrahiert und mit diesen MEAs hergestellt. Die MEAs wurden im Dauerlauf betrieben um Degradation und Dauerstabilität beurteilen zu können. Untersuchungen erfolgten jeweils vor und nach den Dauerläufen mittels Zyklovoltammetrie, Elektrochemischer Impedanzspektroskopie sowie Polarisationskurven. Weiterhin wurden zur Komplettierung der Ergebnisse vereinzelt Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop angefertigt sowie eine Analyse des Kondensats durchgeführt. Membran-Elektroden-Einheiten wurden in dieser Arbeit einerseits pulverbasiert mit dem Trockensprüh-Verfahren, andererseits Catalytic-Ink basiert mit dem Airbrush- bzw. Rakel-Verfahren hergestellt. Wie auch schon vorangegangene Untersuchungen zeigten, degradierten trockengesprühte MEAs mit JST-Membran im Betrieb vergleichsweise schnell. Die elektrochemisch aktive Oberfläche nahm dabei stark ab. REM-Aufnahmen zeigten zudem eine geringe Kontaktfläche von Elektrode und Membran bei trockengesprühten MEAs mit JST210-Membran. Auf Catalytic-Ink, einer Katalysatorsuspension, basierte MEAs mit JST-Membran zeigten eine deutlich verbesserte Dauerstabilität gegenüber trockengesprühten MEAs mit JST-Membran. Die Zellleistung der Cat-Ink basierten MEAs wies jedoch aufgrund der Dicke und Morphologie der Elektroden noch einen hohen Gesamtwiderstand auf. Bei der Herstellung von Cat-Ink ist n-Butylacetat gegenüber Isopropanol als Lösungsmittel zu bevorzugen. Es zeigten sich damit eine erhöhte Dauerstabilität und eine verbesserte Morphologie der Elektroden. Alle Catalytic-Ink basierten Elektroden zeigten bei REM-Aufnahmen eine ausgeprägte Membran-Elektroden Kontaktfläche nach dem Dauerlauf. Mit dem Airbrush-Verfahren ließen sich homogenere Elektrodenoberflächen und dünnere katalytische Schichten erzielen als mit dem Rakel-Verfahren. Dadurch ergab sich eine leicht verbesserte Zellleistung sowie geringere Diffusions- und Komponentenwiderstände gegenüber mit dem Rakel-Verfahren hergestellten Elektroden.