Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Hochleistungsfähige und alterungsstabile HT-PEMFC Membranelektrodeneinheiten durch neue Anbindungskonzepte Katalysator/Träger/Protonenleiter

Bearbeiter: Dr. Vladimir Atanasov, Dr. Jochen Kerres

   

Projektpartner
  • Prof. Christina Roth, Institut für Chemie und Biochemie, FU Berlin (Koordinatorin)
  • Prof. Dieter Lentz, Institut für Chemie und Biochemie, FU Berlin
  • Dr. Carsten Cremers, Fraunhofer Institut für Chemische Technologie, Pfinztal
  • Prof. Peter Strasser, Institut für Chemie, TU Berlin
  • Prof. Anna Fischer, Institut für Anorganische und Analytische Chemie (IAAC), Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
  • elcore GmbH, Frank Erne, Dr. Marcus Perchthaler, München
  • Fischer Eco Solution, Hans Fischer, Achern
  • RIVA GmbH Batteries, Thomas Häring, Backnang
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Abb. 1: Gesamtkonzept: Zusammenarbeit der Partner in den Arbeitspaketen des HT-linked Vorhabens

Forschungsziele

  1. der Kohlenstoffträger wird auf maximale Robustheit bei optimaler Funktion optimiert,
  2. die Platinnanopartikel werden spezifisch auf dem Kohlenstoffträger verankert, um dem Partikelwachstum entgegenzuwirken,
  3. der Kohlenstoffträger wird chemisch funktionalisiert, um eine gezielte Anbindung der protonenleitenden Phosphorsäure zu erzielen und eine Umverteilung zu unterbinden,
  4. die gesamte Elektrode wird über eine angepasste MEA-Prozessierung und die Verwendung neuentwickelter Ionomere robuster an die PBI-Membran angebunden.

Lösungsweg

Im Projekt arbeiten universitäre, außeruniversitäre und industrielle Partner mit ausgewiesener Kompetenz in der Herstellung, Modifikation und (in-situ) Charakterisierung aller MEA-Komponenten eng zusammen. Für die Produktion hochleistungsfähiger alterungsstabiler HT-PEMFC Membranelektrodeneinheiten wird auf neue Materialien und Methoden zurückgegriffen, die es erlauben, die Materialanbindung an den Grenzflächen zwischen den eingesetzten Komponenten entscheidend zu verbessern. Hiermit kann den oben beschriebenen Alterungsphänomenen vorgebeugt und die Robustheit der MEA signifikant verbessert werden (sog. Multiskalen-Grenzflächendesign).

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Abb. 2: Performance einer H3PO4-dotierten PBIOO-sPSU-Basenüberschuss-Blendmembran (B2S2) in einer H2PEMFC bei Temperaturen von bis 180°C( Ref. Chromik, Kerres, et al. Solid State Ionics (2013) 252, 140-151)

Stand der Forschung

In der AG Kerres wurden sowohl ionisch als auch kovalent vernetzte PBI-Blend-Membranen synthetisiert und in Hochtemperaturbrennstoffzellen untersucht, wo sie sehr gute Performance (Abb. 2) und keine messbare Degradation zeigten. 2011 wurde außerdem ein neues phosphoniertes Polymer auf Basis von Poly(tetrafluorstyrol-4-Phosphonsäure) (PWN2010) synthetisiert, das chemisch stabil und auch im Temperaturbereich 100 bis 160°C unter reduzierten Feuchtegraden gut protonenleitfähig ist. Dieses Polymer bietet sich daher für die Verwendung in den HT-PEM Elektroden als Alternative zu Phosphorsäure an, da es im Gegensatz zu dieser durch Blenden mit einem basischen Polymer in der Elektrode immobilisiert werden kann.

Link Protonenleiter-Membran

Es erscheint notwendig, neue Ionomere bzw. Fügetechniken zu entwickeln, damit einer Delamination der Elektrode von der Membran vorgebeugt werden kann. Gegenstand dieses Arbeitspakets ist es, den Kontakt an der Grenzfläche Elektrode/Membran zu verbessern und damit die Anbindung auf der Mikrometerskala eines realen Bauteils sicherzustellen, Hier sollen neuartige phosphonierte und sulfonierte Ionomere der Partner ICVT und RIVA genutzt und weiterentwickelt werden. Dabei soll der Verbund der Ionomere in den Elektroden mit der PBI-Membran durch ionische oder kovalente Vernetzungsreaktionen noch weiter verbessert werden, um eine Delaminierung zwischen Elektrode und Membran zu verhindern (FUB). Weiterhin werden in diesem AP ebenfalls Ansätze verfolgt, die protonenleitende Spezies stärker in der Membranmatrix zu verankern.

 

Ansprechpartner

Vladimir Atanasov
Dr. rer. nat.

Vladimir Atanasov

Gruppenleiter

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