Geordnete Membranelektrode
Geordnete Membranelektrode – Brennstoffzellenkatalysator
Die Katalysatorschicht von GDE- und CCM-MEAs wird mit einem Katalysator und einer Elektrolytlösung zu einer Katalysatorsuspension vermischt und anschließend aufgetragen. Die Transportwege für Protonen, Elektronen, Gase und Wasser in der so hergestellten MEA sind ungeordnet, was zu einer sehr geringen Transporteffizienz und starker Polarisation führt. Dies beeinträchtigt die Hochstromentladung der MEA. Zudem ist die Platinbeladung in der MEA relativ hoch. Die Entwicklung leistungsstarker, langlebiger und kostengünstiger MEAs steht daher im Fokus. Geordnete MEAs weisen eine sehr hohe Platinausnutzung auf, wodurch die MEA-Kosten effektiv gesenkt und gleichzeitig der effiziente Transport von Protonen, Elektronen, Gasen, Wasser und anderen Substanzen ermöglicht wird. Dies verbessert die Gesamtleistung der PEMFC.
Zu den geordneten Membranelektroden gehören geordnete Membranelektroden auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren, geordnete Membranelektroden auf Basis von Katalysatorfilmen und geordnete Membranelektroden auf Basis von Protonenleitern.
Geordnete Filmelektrode auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren
Die Graphitgitterstruktur von Kohlenstoffnanoröhren ist gegenüber hohen Potenzialen stabil. Die Wechselwirkung mit Platinpartikeln und deren Elastizität verbessern die katalytische Aktivität der Platinpartikel. In den letzten zehn Jahren wurden Filme auf Basis vertikal ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhren (VACNTs) für Elektroden entwickelt. Der Mechanismus der vertikalen Anordnung verbessert die Gasdiffusionsschicht, die Drainagekapazität und die Platinausnutzung.
VACNTs lassen sich in zwei Typen unterteilen: Zum einen VACNTs, die aus gekrümmten, spärlich angeordneten Kohlenstoffnanoröhren bestehen; zum anderen VACNTs, die aus geraden, dicht angeordneten Kohlenstoffnanoröhren bestehen.
Klassisches Herstellungsverfahren einer Membranelektrode auf Basis vertikaler Kohlenstoffnanoröhren
Zhang et al. entwickelten geordnete VACNTs/Nafion/VACNTs-Membranelektroden. Die Leistung ist doppelt so hoch wie die der herkömmlichen Pt/C-Membranelektrode.
SEM-Morphologie von VACNTs auf einer Nafion-Membran
Murata et al. katalysierten das Wachstum gekrümmter und spärlicher VACNTs auf einem Edelstahlsubstrat. Bei gleichbleibender Leistungsfähigkeit liegt der Platingehalt nahe am Zielwert des US-Energieministeriums (DOE) für 2020.
Geordnete Membranelektrode auf Katalysatorfilmbasis
Die Ordnung des Katalysatorfilms bezieht sich hauptsächlich auf die geordnete Struktur von Pt-Nanoröhren und Pt-Nanodrähten. Ein repräsentatives Beispiel für eine geordnete Katalysatormembranelektrode ist das kommerzielle Produkt NSTF von 3M. Im Vergleich zu herkömmlichen Pt/C-Katalysatoren weist NSTF vier Hauptmerkmale auf: Der Katalysatorträger besteht aus geordneten organischen Whiskern; der Katalysator bildet einen Pt-basierten Legierungsfilm auf den whiskerartigen Strukturen; die Katalysatorschicht enthält keinen Kohlenstoffträger; die Schichtdicke des NSTF-Katalysators liegt unter 1 µm.
Die Leistungsparameter der von 3M hergestellten NSTF-Elektrode sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Aus der Abbildung geht hervor, dass die NSTF-Elektrode zwar eine geringere Haltbarkeit als der vom US-Energieministerium (DOE) vorgegebene technische Index aufweist, die übrigen Leistungsindikatoren jedoch relativ nahe am DOE-Zielwert liegen.
Geordnete Membranelektrode auf Basis eines Protonenleiters
Eine protonenleitende, geordnete Membranelektrode dient hauptsächlich dazu, nanodrahtartige Polymermaterialien einzubringen, um den effizienten Protonentransport in der Katalysatorschicht zu fördern. Yu et al. stellten eine TiO₂/Ti-Struktur aus TiO₂-Nanoröhrenarrays (TNTs) auf einem Titanwafer her und temperierten diese anschließend in Wasserstoffatmosphäre, um H-TNTs zu erhalten. Mithilfe einer SnCl₂-Sensibilisierungs- und Austauschmethode wurden Pt-Pd-Partikel auf der Oberfläche der H-TNTs aufgebracht. Die resultierende Brennstoffzelle zeichnet sich durch hohe Leistungsdichte aus.
Aufbauend auf der schnellen Protonenleitfähigkeit von Nafion-Nanodrähten synthetisierten das Institut für Nuklearforschung der Tsinghua-Universität und die Abteilung für Automobile erstmals eine neue, geordnete Katalysatorschicht. Diese zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: Nafion-Nanostäbe werden in situ auf einer Protonenaustauschmembran gezüchtet, wodurch der Grenzflächenkontaktwiderstand auf null reduziert wird. Auf den Nafion-Nanostäben wird eine Katalysatorschicht aus Platinpartikeln abgeschieden, die sowohl als Katalysator als auch als elektronische Leitungsschicht fungiert. Innerhalb dieser Katalysatorschicht weisen die Nafion-Nanostäbe eine schnelle Protonenleitfähigkeit auf.
Geordnete Membranelektroden stellen zweifellos die Hauptrichtung der nächsten Generation von Membranelektroden-Herstellungstechnologien dar. Bei der Reduzierung der Platingruppenelementbeladung müssen fünf weitere Aspekte berücksichtigt werden: Geordnete Membranelektroden reagieren sehr empfindlich auf Verunreinigungen; durch Materialoptimierung, Charakterisierung und Modellierung kann der Betriebsbereich von Membranelektroden erweitert werden; schnelle protonenleitende Nanostrukturen werden in die Katalysatorschicht integriert; kostengünstige Massenproduktionsverfahren werden entwickelt; die Wechselwirkungen zwischen Membranelektrode, Protonenaustauschmembran, Elektrokatalysator und Gasdiffusionsschicht sowie deren Synergieeffekte werden eingehend untersucht.
Ultraschall-Sprühgerät für auftragsbezogene Membran-Elektroden-Katalysatorbeschichtung
Cheersonic ist ein führender Anbieter von hochpräzisen Katalysatorbeschichtungsanlagen, die speziell für die genaue Katalysatorabscheidung auf geordneten Membranelektroden von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren entwickelt wurden. Dank fortschrittlicher Ultraschall-Sprühtechnologie löst das System effektiv die Probleme ungleichmäßiger Beschichtung, erheblicher Materialverschwendung und instabiler Leistung herkömmlicher Katalysatorbeschichtungsverfahren und bietet so zuverlässige und effiziente Beschichtungslösungen für die Herstellung elektrochemischer Geräte.
Das Ultraschall-Sprühsystem zeichnet sich durch höchste Beschichtungsgenauigkeit und -wiederholbarkeit aus und ermöglicht so eine stabile und gleichmäßige Katalysatorschichtabscheidung auf verschiedenen Elektroden- und Membransubstraten. Es verbessert die Übertragungseffizienz der Katalysatortinte erheblich und reduziert den Verbrauch teurer Edelmetalle wie Platin drastisch. Gleichzeitig unterstützt das System die flexible Anpassung der Parameter für Beschichtungsausstoß und Formgebung, wodurch die Katalysatorschichtstruktur gezielt angepasst werden kann, um die Membran-Elektroden-Morphologie zu optimieren und die Gesamtlebensdauer zu verlängern.
Anders als herkömmliche Sprühverfahren ermöglicht das Ultraschallvibrationsprinzip eine langfristig gleichmäßige Verteilung der Nanokatalysatorpartikel und verhindert effektiv deren Reagglomeration während der Beschichtung. Dadurch erreichen Hersteller eine vollständige und gleichmäßige Katalysatoraktivierung auch bei geringer Beladung und reduzieren den Verbrauch teurer Platinmaterialien pro Produkt deutlich. Ohne die exzellente elektrochemische Reaktionsfähigkeit und Betriebsstabilität der Membranelektroden zu beeinträchtigen, optimiert die Technologie somit sowohl die Produktleistung als auch die Produktionskosten.
Video zur Ultraschall-Brennstoffzellenbeschichtung
Über Cheersonic
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