Heißpressen von ultraschallgesprühten MEAs

Einfluss der Platinbeladung beim Heißpressen ultraschallgesprühter Membranelektroden für PEM-Brennstoffzellen

Wasserstoffenergie spielt als sauberer und kohlenstoffarmer Energieträger eine entscheidende Rolle in der globalen Energiewende. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) gehören zu den wichtigsten Geräten für die Wasserstoffnutzung. Sie wandeln die chemische Energie des Wasserstoffs direkt in elektrische Energie um und bieten Vorteile wie hohe Energieeffizienz, Emissionsfreiheit und geringe Betriebsgeräusche. Dadurch sind sie in Bereichen wie Transport, dezentraler Energieerzeugung und anderen Anwendungsgebieten weit verbreitet. Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ist die Kernkomponente dieser Brennstoffzelle. Hier finden elektrochemische Reaktionen sowie der Gas- und Ladungstransport statt. Ihr Herstellungsprozess bestimmt maßgeblich die Leistung und Lebensdauer der Zelle.

Das gängigste Verfahren zur Herstellung von MEAs ist derzeit die katalysatorbeschichtete Membran (CCM). Dabei wird eine katalytische Beschichtung gleichmäßig auf die Oberfläche der Protonenaustauschmembran aufgebracht, beispielsweise durch Ultraschallsprühen. Ultraschallspritzen hat sich aufgrund seiner Vorteile wie gleichmäßiger Beschichtung, hoher Rohstoffausnutzung und guter Reproduzierbarkeit als gängiges Verfahren zur Herstellung von Hochleistungselektroden etabliert. Der nachfolgende Heißpressprozess ist jedoch ebenso entscheidend. Beim Heißpressen wird die Elektrode zwischen Hochtemperaturplatten platziert und unter festgelegten Temperatur-, Druck- und Zeitbedingungen gepresst. Ziel ist es, die Grenzflächenhaftung zwischen den Schichten zu stärken, den Kontaktwiderstand zu reduzieren und die internen Stofftransportkanäle zu optimieren. Die tatsächliche Wirkung des Heißpressens ist in der Branche jedoch weiterhin umstritten: Einige Studien zeigen, dass sachgemäßes Heißpressen die Batterieleistung verbessern kann, während andere Experimente ergeben haben, dass unsachgemäßes Heißpressen die Elektrodenstruktur beschädigen und zu Leistungseinbußen führen kann. Insbesondere da eine geringe Platinbeladung in der Branche immer mehr zum Standard wird – die Reduzierung des Edelmetalls Platin ist der Schlüssel zur Senkung der Brennstoffzellenkosten und zur Förderung der Kommerzialisierung –, mangelt es an systematischer Forschung zu den Auswirkungen des Heißpressens auf Elektroden mit unterschiedlichem Platingehalt.

Um diesem Problem zu begegnen, führten Forscher vergleichende Experimente an zwei typischen Elektroden durch: eine mit herkömmlicher Platinbeladung und eine mit geringer Platinbeladung. Die Experimente untersuchten umfassend die durch die drei Hauptparameter des Heißpressens – Druck, Temperatur und Zeit – hervorgerufenen Veränderungen. Sie analysierten außerdem die Entwicklung der Elektrodenmikrostruktur und der elektrochemischen Leistung und stellten fest, dass der Effekt des Heißpressens eng mit der Platinbeladung der Elektrode zusammenhängt, wobei eine klare kritische Grenze zwischen beiden besteht.

Bei Membranelektroden mit herkömmlicher Platinbeladung können geeignete Heißpressbedingungen signifikante Verbesserungen erzielen. Moderater Druck kann die Grenzfläche verdichten und den ohmschen Widerstand sowie den Stofftransportwiderstand reduzieren. Übersteigt die Heißpresstemperatur die Glasübergangstemperatur der Protonenaustauschmembran, kann die effektive Reaktionsfläche des Katalysators um mehr als 40 % erhöht werden. Die optimale Kombination von Heißpressparametern wurde experimentell ermittelt, wodurch die maximale Leistungsdichte der Batterie um mehr als 12 % gesteigert werden konnte. Die Heißpresszeit muss jedoch streng kontrolliert werden. Wird eine Presszeit von 10 Minuten erreicht, zersetzen sich die ionischen Polymere in der Elektrode thermisch, die Protonentransportkanäle werden blockiert und die Batterieleistung verschlechtert sich erheblich.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektroden sind Elektroden mit geringer Platinbeladung für das Heißpressen völlig ungeeignet. Die katalytische Beschichtung dieser Elektroden ist dünner und weist eine porösere Struktur auf. Unter der kombinierten Einwirkung von äußerer Kraft und hoher Temperatur neigen die Poren in der Beschichtung zum Kollaps. Nach der Beschädigung der Porenstruktur kann das Reaktionsgas nicht mehr ungehindert zu den katalytisch aktiven Zentren transportiert werden, und die Katalysatorausnutzung sinkt. Unabhängig von den verwendeten Heißpressparametern verschlechtert sich die Gesamtleistung der Batterie letztendlich.

Durch mehrere Versuchsreihen mit abgestufter Platinbeladung wurde ermittelt, dass 0,24 mg·cm⁻² die kritische Platinbeladung ist, ab der sich der Effekt des Heißpressens ändert. Bei einer Platinbeladung der Elektrode über diesem Wert kann ein angemessenes Heißpressen die Struktur optimieren und die Leistung verbessern; darunter hat das Heißpressen ausschließlich negative Auswirkungen. Diese Schlussfolgerung klärt die Gründe für die widersprüchlichen Ergebnisse früherer Studien: Unterschiedliche Experimente verwendeten verschiedene Platinbeladungen auf den Elektroden, was naturgemäß zu unterschiedlichen Ergebnissen führte, je nachdem, ob Heißpressen „vorteilhaft“ oder „nachteilig“ war.

Diese Forschung verdeutlicht die Anwendungsbereiche des Heißpressverfahrens und liefert praktische Prozessrichtlinien für die Massenproduktion von Brennstoffzellen. Bei der Herstellung herkömmlicher Hochplatin-Elektroden kann kurzzeitiges Heißpressen mit angepassten Temperatur- und Druckparametern durchgeführt werden, um die Vorteile des Verfahrens voll auszuschöpfen. Bei kostengünstigen, leichten Niedrigplatin-Elektroden sollte das Heißpressen jedoch vollständig vermieden werden, um die ursprüngliche poröse Struktur der Elektrode zu erhalten.

Kostensenkung und Effizienzsteigerung sind derzeit die zentralen Ziele für die Industrialisierung von Brennstoffzellen. Diese Erkenntnis belegt die Kompatibilität zwischen dem Ultraschallsprühen von Membranelektroden und dem anschließenden Heißpressen. So bleiben die Vorteile etablierter Verfahren erhalten, während Verluste durch unsachgemäße Anwendung vermieden werden. Zukünftig kann auf Basis dieser Prozessrichtlinien der gesamte Elektrodenherstellungsprozess weiter optimiert werden, was dazu beitragen kann, dass kostengünstige, langlebige Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen schneller in den großtechnischen Einsatz gelangen und eine solide technologische Grundlage für die Entwicklung der Wasserstoffenergieindustrie geschaffen wird.

Über Cheersonic

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