Ergebnisbericht 01SF0302 „Effiziente Sauerstoffreduktion für die elektrochemische Energieumwandlung“ (O2RedNet) – Teilprojekt DLR e.V.

Kurzfassung

Im Rahmen des Projektes wurden beim DLR alternative Kathoden-Katalysatorsysteme, die signifikante Vorteile gegenüber Pt in der Reaktivität für die Sauerstoffreduktion besitzen, physikalisch und elektrochemisch charakterisiert. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf Katalysatorsysteme gelegt, die aufgrund ihrer Selektivität für die Sauerstoffreduktion bzw. ihrer möglichst geringen Aktivität für die Methanoloxidation Vorteile in DMFC-Brennstoffzellen aufweisen. Die zu untersuchenden Katalysatorsysteme waren: • Tensidstabilisierte Legierungskatalysatoren sowie Schalenkatalysatoren des Projektpartners MPI für Kohlenforschung / FZ Karlsruhe, • Nichtmetallkatalysatoren (u.a. Metall-Phorphyrine) des Projektpartners Hahn-Meitner-Institut (HMI), • Ruthenium-Selenid-Katalysatoren der Projektpartner HMI und TU München, • Silber-Katalysatoren (kommerziell erhältlich) und ein Silber-Platin-Katalysator des Projektpartners MPI / FZK. Einen wichtigen Aspekt stellte die physikalische und elektrochemische Charakterisierung der Katalysatorsysteme mittels ex-situ und in-situ Methoden dar. Durch die physikalische Charakterisierung konnten wichtige Informationen über die Eigenschaften der Katalysatorsysteme hinsichtlich Porosität, Oberflächenzusammensetzung, sowie Reduktions- und Desorptionskinetik gewonnen werden, die zum Verständnis von Präparationsverfahren und Reaktionsmechanismen und zur Optimierung der Katalysatoren beitrugen. Durch den direkten Test in DMFC-Brennstoffzellen wurde das Leistungsverhalten untersucht. Es konnten Aussagen über den hydrophoben bzw. hydrophilen Charakter des RuSe-Katalysatorsystems, über die Selektivität und vor allem die Stabilität der Katalysatorsysteme auf Basis von Ruthenium-Selenid und von Silber getroffen werden. Die Stabilität dieser beiden Katalysatorsysteme wurde sowohl durch die elektrochemische Belastung im Brennstoffzellenbetrieb als auch durch post mortem Untersuchungen mittels XPS untersucht und stellte des Weiteren einen Schwerpunkt der durchgeführten Arbeiten dar. Da sich die Silber-Katalysatoren trotz Stabilisierung durch Platin als nicht stabil im DMFC-Betrieb herausstellten, wurden Silber- und Silber-Platin-Katalysatoren in einer alkalischen Halbzelle mittels EIS und CV charakterisiert. Des Weiteren erfolgte die physikalische Charakterisierung eines vom Projektpartner MPI /FZK hergestellten AgPt-Katalysators mittels XPS, TPDRO, BET. Da diese Messungen nach Beendigung des Projektes durchgeführt wurden, standen die Ergebnisse zum Zeitpunkt des Endberichts noch nicht zur Verfügung. Sie werden jedoch anschließend den Projektpartnern übermittelt. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zum Einfluss der Zusammensetzung der Kathoden-Reaktionsschicht, speziell des Elektrolyt-Anteils, durchgeführt. Die Ergebnisse wurden bei der weiteren Präparation von Membran-Elektroden-Einheiten einbezogen. Durch eine Zugabe von Nafion bzw. PTFE wird ein positiver Effekt in der Leistung beobachtet. Des Weiteren führt die Zugabe von Elektrolytpulver zu einer besseren Haftung der Katalysatorschicht auf der Membran. In Auszügen ist eine Darstellung der Ergebnisse in einer Sonderedition des Journals of Applied Electrochemistry gegeben.