Graphen-Multilagen als Katalysatorträger für Brennstoffzellenanwendungen

Abstract

Die aktuell verwendeten PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) Brennstoffzellensysteme sind mit sehr hohen Produktionskosten verbunden, bzw. die Lebensdauer der Membranelektrodeneinheiten (MEA) ist nicht lang genug, um die Vermarktung dieser Produkte ohne weitere Subventionen zu ermöglichen. Ein Grund dafür ist die Degradation der meist edelmetallhaltigen Katalysatoren (Pt oder PtRu), welche auf leitfähigen Trägern wie z. B. Ruß (Vulcan® XC-72, Ketjen Black, Cabot usw.) gebunden sind. Durch eine Agglomeration der Katalysatoren verringern sich die aktive Oberfläche und somit auch die Performance der Brennstoffzelle. Dieser Effekt verkürzt die Lebensdauer einer jeden Brennstoffzelle. Ein weiterer Ansatzpunkt zur Kostenreduzierung bei der Brennstoffzellenfertigung ist die Reduktion der verwendeten Edelmetallkatalysatormengen durch die Entwicklung von aktiveren Katalysatorsystemen. Es werden neue Wege gesucht, um die Lebensdauer der Brennstoffzellen zu erhöhen und die Platinbeladung zu reduzieren. In der vorliegenden Arbeit wurde das herkömmliche Katalysatorträgermaterial Ruß durch Graphen-Multilagen (GML) und GML-Komposite (GML/Ruß, GML/MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotube), GML/expandierter Grafit) ersetzt. Die so hergestellten Anoden und Kathoden zeigen eine vergleichbare Leistung wie die kommerziellen Referenzelektroden, jedoch ist es gelungen die Platinbeladung um 37% bei den Anoden und 89,27% bei den Kathoden zu senken. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Alterungstests haben ergeben, dass die GML-haltigen Kathoden weniger anfällig gegen Degradation sind sowie die ursprüngliche Aktivität der Katalysatoren im Vergleich mit kommerziellen Systemen über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt. Ein Grund dafür könnte in den verwendeten großflächigen GML-Arten liegen: auf der riesigen zur Verfügung stehenden Oberfläche ist eine höhere Dispersität der Katalysatorpartikeln zu erwarten. Dadurch wird im laufenden Betrieb bei hohen Temperaturen die Agglomeration der Katalysatorpartikeln durch Oberflächenmigration reduziert. Wie die Alterungstests belegen, korreliert die Beständigkeit mit dem GML-Gehalt in der verwendeten Katalysatorschicht. Im Vergleich mit den kommerziellen Systemen zeigten die selbst hergestellten Katalysatorschichten nach identisch durchgeführtem Alterungsprotokoll eine 6,8fach höhere elektrochemisch aktive Oberfläche des Pt- Katalysators. Somit konnten durch die vorliegenden Ergebnisse mögliche Verbesserungen zur Fertigung von kostengünstigeren Brennstoffzellenelektroden aufgezeigt werden.

The production costs of the commercially available PEMFC-systems is still too high and the lifetime of the membrane electrode assemblies (MEA) is not long enough to enable the commercialization of these products without subsidies. One reason for this is the rapid degradation of the catalyst particles, which are mostly platinum-based noble metals (Pt or PtRu) bound onto the surface of conductive supports like carbon black (Vulcan® XC-72, Ketjen Black, Cabot etc.). The agglomeration of the catalysts leads to reduction of the ECSA (electrochemically active surface area) of the catalysts and therefore to a poor performance of the fuel cell. This effect shortens the lifetime of the PEMFC. Another focus with respect to the cost reduction of the used noble metal catalysts by the fuel cell production is the development of active catalyst systems. New ways are needed to enhance the lifetime of such fuel cell electrodes and to reduce the platinum loading. The commonly used catalyst supportive material, which is carbon black, will be replaced by graphene multilayers (GML) and GML-composites (GML/carbon black, GML/MWCNT (Multi-Walled Carbon Nanotube), GML/expanded graphite) in the present work. The thus produced anodes and cathodes show comparable power densities and enable the reduction of the platinum amount by 37% at the anodes and 89.27% at the cathodes compared to a commercial standard system. Accelerated aging protocols (AAP) on the MEAs showed, that GML-containing cathodes are less vulnerable to degradation and the activity of the catalysts is maintained over an extended period. One reason for this could be the use of GML with large surface area: a higher dispersity of the catalyst particles can be expected because of the available huge surfaces. This leads to a decreased agglomeration of the catalyst particles by surface migration during the operation times at high temperatures. The AAP tests show a correlation between the durability and the GML-content in the used catalyst layer. The thus produced catalyst layers showed a 6.8 times higher Pt extended ECSA compared to the commercial standard systems after the identically performed AAP. Thus, using these available results enables possible improvements to cost-effective production of fuel cell electrodes.