Durch Ultraschallspray hergestellte MEA

Durch Ultraschallspray hergestellte MEA – Cheersonic

Aufgrund der hochwertigen Leistung, Skalierbarkeit und des schnellen Starts sind Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) eine vielversprechende zukünftige Energiequelle. Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) spielen eine wichtige Rolle bei der Leistung. Eine MEA ist ein Verbund aus einer GDL, einer Katalysatorschicht (CL) und einer Protonenaustauschmembran (PEM). Die elektrochemische Reaktion findet am CL statt. Die elektrochemische Reaktion benötigt eine Dreiphasengrenze (TPB), an der die katalytische Elektrode, der Elektrolyt und das Gas alle in physischem Kontakt sind. Die Menge an TPB beeinflusst die Brennstoffzellenleistung stark. Die Formel der Katalysatortinte dominiert nicht nur die Brennstoffzellenleistung, sondern auch die Kosten. Für die Massenproduktion betragen die Kosten der Katalysatortinte ungefähr 34 % der Gesamtstapelkosten.

Typischerweise umfasst Katalysatortinte Katalysatorträger, Ionomer, Lösungsmittel und Additiv (PTFE, Porenbildner usw.). Im Allgemeinen kann eine MEA durch die drei folgenden Verfahren hergestellt werden: (i) Katalysatorbeschichtete Membran (CCM), die CL direkt auf eine Membran aufträgt, (ii) Abziehbildtransfer-CCM, die CL auf ein Substrat aufträgt und dann das CL auf eine Membran, und (iii) katalysatorbeschichtetes Substrat (CCS), das CL auf GDL beschichtet (eine GDL mit CL wird als Gasdiffusionselektrode (GDE) bezeichnet). Eine MEA wird hergestellt, indem ein CCM zwischen zwei GDLs eingelegt wird oder ein PEM zwischen zwei GDEs gelegt wird.

Mit CCM hergestellte MEAs boten eine bessere Leistung als CCS. Das CCM bietet aufgrund des verbesserten Ionenkontakts der CL-Membran einen geringeren Widerstand als CCS, unabhängig davon, ob das CCM sprüh- oder elektrosprühbeschichtet ist. Das CCM zeigte auch eine bessere Haltbarkeit als CCS. Millingtonet al. untersuchten vier verschiedene Lösungsmittel zur Herstellung von Katalysatortinten; die Lösungsmittel waren Tetrahydrofuran (THF), Isopropanol (IPA), Ethylenglykol (EG) und Glycerin. Aufgrund seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante zeigte THF als Lösungsmittel in den Katalysatortinten eine bessere Leistung als IPA, während EG und Glycerin zu einer schlechten Leistung führten. Songet al. untersuchte die Wirkung des PTFE-Gehalts in der CL; die Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe bestimmter PTFEs die Konzentrationspolarisation des CL verbessern könnte. Der optimale PTFE-Gehalt betrug 5 Gew.-%, was den Ladungsübertragungswiderstand nicht beeinflusste, aber die interne Massendiffusion des CL verbesserte. Porenbildner können das Porenvolumen verändern. Der optimale Porenbildnergehalt beträgt 30 Gew.-%, führte jedoch zu einer geringeren Haltbarkeit.

Es gibt viele Beschichtungstechniken zum Herstellen einer CL, wie beispielsweise Sputterabscheidung, ionenstrahlunterstützte Abscheidung, Rakel, Siebdruck, Tintenstrahldruck, Sprühen, Elektrosprühen und Ultraschallsprühen. Chaparroet al. berichteten, dass für einen Elektrosprühprozess die optimale Pt-Beladung (Kathode) und das Verhältnis des Nafion-Gehalts 0,17 mg/cm2 bzw. 17 Gew.-% betrugen. Der Elektrospray-Prozess bedeckte den Ionomerfilm homogen mit dem Pt/C-Agglomerat, wodurch ein hochporöses Material mit geringerem spezifischen Widerstand gebildet wurde. Sasikumaret al. und Martinet al. untersuchten das optimale Verhältnis des Nafion-Gehalts bei verschiedenen Pt-Beladungen. Die Ergebnisse zeigten, dass das optimale Verhältnis des Nafion-Gehalts mit zunehmender Pt-Beladung bei CLs, die entweder durch Bürsten oder Elektrospray beschichtet wurden, abnimmt. Die optimalen Werte sind je nach verwendetem Beschichtungsverfahren deutlich unterschiedlich. Millingtonet al. zeigten, dass das Hauptproblem bei der Elektrosprühtechnik darin besteht, dass der Spitzenleistungsdichtewert zu niedrig ist, um in praktischen Anwendungen verwendet zu werden. Eine durch Ultraschallspray hergestellte MEA zeigte eine hohe Leistung bei niedriger Pt-Beladung. Millington et al. stellten die MEA unter Verwendung der CCS-Technik her und testeten mit Sauerstoff als Oxidationsmittel und unter hohem Gegendruck. Die CCM-Technik wurde verwendet und mit Luftoxidationsmittel und bei Umgebungsdruck untersucht; Dieser Ansatz ist konsistenter mit realen Anwendungen. Darüber hinaus ist es die erste Studie, die Ultraschallspray zur Untersuchung der Pt-Beladung mit der CCM-Technik verwendet.