Untersuchung von platinreduzierten und platinfreien Gasdiffusionselektroden für die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Reduzierung des Platingehalts in Gasdiffusionselektroden (engl. gas diffusion electrode, GDE) von Hochtemperatur Polymerelektrolytmembran Brennstoffzellen (engl.high temperature polymer-electrolyte-membrane fuel cell, HT-PEMFC). Die HT-PEMFC besteht aus mehreren Komponenten, von denen die Katalysatorschicht (engl. catalyst layer, CL) den Platinkatalysator beinhaltet. Da Platin ein seltenes und daher teures Edelmetall ist, ist die Reduzierung des Platingehalts innerhalb der CL eines der Hauptziele in der weiteren Entwicklung und Kosteneinsparung von HT-PEMFCs. Einen hohen Einfluss auf die gesamte Leistung von HT-PEMFCs hat dieSauerstoffreduktionsreaktion (engl. oxygen reduction reaction, ORR) an der Kathode. Der Grund hierfür ist, dass die ORR sechsmallangsamer abläuft als die Oxidation von Wasserstoff (engl. hydrogen oxidation reaction, HOR) an der Anode. Zur Reduzierung des Platingehaltes wurden in dieser Arbeit GDEs mit einer dualen CL, bestehend aus zwei Schichten unterschiedlicher volumetrischer Platinkonzentration, hergestellt. Bei dieser wurde die volumetrische Platinkonzentration in der CL nahe der mikroporösen Schicht (engl. micro porous layer, MPL) reduziert. Dies wurde durch die Einbringung von Füllmaterialien wie einem mesoporösem Kohlenstoff (Black Pearls (BP) 2000) sowie ORR-aktiven Fe-N-Cs erreicht. Die Menge des Füllmaterials entsprach 10 wt.% der Feststoffmasse der CL, in welche es eingebracht wurde. Als Katalysatormaterialen wurden ein kommerzielle Pt/C Katalysator sowie ein Fe-N-C Katalysator verwendet. Zusätzlich diente ein vor Ort synthetisierter Pt/Fe-N-C Katalysator zur Herstellung weiterer GDEs. Neben der Reduzierung der volumetrischen Platinkonzentration wurden somit auch Hybrid-GDEs, bei welchem innerhalb der CL mehrere Katalysatormaterialien genutzt wurden, hergestellt. Bei diesen wurden Fe-N-Cs als Füll- bzw. Trägermaterial für Platin genutzt. Die jeweiligen Katalysatormaterialien wurden mittels Ultraschallsprühverfahren auf kommerzielle Gasdiffusionsschichten beschichtet. Für die elektrochemische Charakterisierung wurden Halbzellen-Messungen durchgeführt. Dabei wurden ausgewählte GDEs mit geeigneter Leistung im Rahmen von ergänzenden Einzelzellaufbauten charakterisiert. Als Referenz diente eine GDE mit einer Platinbeladung von 0,50 mgPt cm-2, deren Beladung als Richtwert für alle weiteren GDEs galt. Die Leistung der ORR der GDEs wurde anhand von Polarisationskurven ermittelt und verglichen. Bei der Herstellung der Pt/C Referenz-GDE wurde eine deutliche Abweichung der Leistungsdichte verschiedener Proben festgestellt. Dabei zeigte eine wiederholte Pt/C Referenz-GDE eine höhere Leistungsdichte als die ursprünglich verwendete Referenz. Dennoch konnte mit einer Pt/C GDE mit Fe-N-Cs als Füllmaterial sowie einer Pt/Fe-N-C GDE, welche Fe-N-Cs als Trägermaterial nutzte, eine vergleichbare Leistung zu den Pt/C Referenzen festgestellt werden. So wurde bei der Nutzung von Fe-N-Cs als Trägermaterial eine nur 7 % geringere Leistungsdichte im Vergleich mit der Pt/C Referenz festgestellt. Bei der Verwendung von Fe-N-Cs als Füllmaterial fiel die Leistungsdichte nur 3 % geringer aus. Bei den ergänzenden Einzelzelluntersuchungen im HT-PEMFC-Teststand konnten bei den Hybrid-GDEs verglichen mit der Pt/C Referenz-GDE sogar eine höhere ORR-Leistung festgestellt werden. Somit wurde das größte Potential zur Reduzierung des Platingehalts bei der Nutzung von Hybrid-GDEs mit Pt/C und Fe-N-C Katalysator festgestellt. Anhand von bildgebenden Verfahren wie Mikro-Computertomographie- (engl. micro X-ray computed tomography, µ-CT) sowie Rasterelektronenmikroskopie (engl. scanning electron microscope, SEM) mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (engl. energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS) konnte kein visueller Unterschied der GDEs mit dualer CL hinsichtlich eingebrachter Materialien festgestellt werden. Dies ist vermutlich auf den gewählten Massenanteil der Füllmaterialien von 10 wt.% zurückzuführen. Somit war die elektrochemische Charakterisierung der hergestellten GDEs möglich, während mit den angewandten Parametern der bildgebenden Verfahren der vorliegende strukturelle bzw. materielle Unterschied der GDEs mit dualer CL nicht sichtbar gemacht werden konnte.