Gasdiffusionselektroden (GDE)-Halbzellenaufbau zur Untersuchung von Hochtemperatur-GDEs in Phosphorsäure unter realistischen Brennstoffzellenbedingungen

Abstract

Gasdiffusionselektroden (GDE) sind ein Bestandteil von Hochtemperatur (HT) Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellen (FC, engl. fuel cell). Die Reduktion der teuren Platin-Edelmetallkatalysatoren in der GDE ermöglicht eine Kostensenkung der PEMFC. Um die Einflüsse einer reduzierten Katalysatorbeladung auf die Leistungsfähigkeit unter HT PEMFC ähnlichen Bedingungen zu untersuchen, bieten sich GDE Halbzellenaufbauten an. Diese Aufbauten sind im Vergleich zu HT PEM Einzelzelluntersuchungen einfacher in der Umsetzung und ermöglichen die Bestimmung der Aktivität einer GDE in kürzerer Messzeit. Die Aktivität gibt an wie leistungsfähig eine Elektrode ist bzw. wieviel Strom bei einem bestimmten Potential fließt. An der Kathode der PEMFC findet die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR, engl. oxygen reduction reaction) statt. Diese Reaktion wurde in einer GDE Halbzelle unter HT PEMFC Bedingungen untersucht. Dazu wurde der Messaufbau unter Bedingungen von 140 °C und konzentrierter Phosphorsäure (85 %) anhand einer kommerziellen HT PEM GDE evaluiert. Die kommerzielle GDE dient als Referenz. Zunächst wurde eine GDE mit einer Zielbeladung von 0.85 mgPt/cm² (ähnlich zur Referenz) hergestellt. Der PTFE Anteil wurde hinsichtlich der Aktivität auf 40 wt% optimiert und der Typ des GDL Materials angepasst. Das Sintern der PTFE Partikel in die GDE für 10 Minuten bei 350 °C unter Stickstoffatmosphäre beeinflusst positiv die katalytische Aktivität. Dadurch wird die Benetzung der GDE mit Phosphorsäure optimiert. Für die optimierte GDE mit einer Zielbeladung von 0.85 mgPt/cm² stellt sich bei 170 mA/cm² ein ähnliches Potential von 0.76 V wie bei der kommerzielle GDE (0.78 V) ein. Eine ähnliche Aktivität wie die des Referenzmaterials wurde daher erreicht. Daraufhin wurden GDEs mit variierter Zielbeladung (0.4, 0.1, 0.05 mgPt/cm²) hergestellt. Die GDE mit einer Zielbeladung von 0.4 mgPt/cm² erreichte im Vergleich zu anderen und zur kommerziellen GDE die höchste Massenaktivität von 450 A/gPt bei einem Potential von 0.75 V. Zudem konnte gezeigt werden, dass die gemessene Aktivität in der GDE Zelle übertragbar auf Einzelzelluntersuchungen ist.