Cross-linked sPEEK and its application for high temperature PEMFCs

Abstract

On the way to a carbon- free and highly efficient energy conversion era the combination of hydrogen polymer electrolyte fuel cells (H2-PEMFC) with stationary power generation (SPG) and combined heat and power (CHP) systems represents a promising route. The therefore necessary boost in the fuel cell’s (FC)s operating temperature > 100 °C requires a fundamental change of headings with regard to the perfluoro sulfonic acid (PFSA)- based state-of-the art solutions. Since cross-linked sPEEK (XL-SPEEK) is characterized as alternative material, the presented work deals with three main topics, namely the development of sulfonated poly-ether-ether-ketone (SPEEK)- containing gas diffusion electrodes (GDE), the preparation of life time- improved membrane electrode assembly (MEA) and the gas barrier study of XL-SPEEK. It has to be mentioned though, that this work is part of the European project (FCH-JU 2008) LoLi PEM. Innovative, SPEEK-containing GDEs exhibiting a fuel cell performance comparable with those of Nafion are prepared using a pulsed potentiostatic electro deposition (PPED) technique. High degree of catalyst utilization as well as availability is assured by our electrochemical deposition method making use of a hydrogen depolarized anode (HAD). Further characterization of the prepared GDE is done in situ and ex situ electrochemical techniques, X-Ray diffraction and electron microscopy. The fuel cell performance is evident from polarization curves as function of the operating temperature and the relative humidity (RH). XL-SPEEK- based MEAs are developed operating at temperatures exceeding 100 °C with an acceptable performance. These results are enabled by the optimization of the lifetime-influencing parameters such as hot pressing conditions, preconditioning and mechanical reinforcements of the polymer electrolyte membrane (PEM) material. An essential material property directly influencing the long- lasting capacity of MEAs applied in H2-PEMFCs operated at temperattures > 80 °C is the permeability of the PEM material toward oxygen and hydrogen. In view of the importance, we present a test bench for the experimental determination of gas diffusivities and permeabilities for such polymeric materials. Hydrogen and oxygen diffusivities as well as permeabilities of prospective new materials such as XL-SPEEK are studied at different temperatures and are compared to state-of-the-art PFSA material. A significantly lower permeability regarding hydrogen and oxygen was determined for XL-SPEEK materials. In addition the influence of the hydrothermal history of PFSA materials, postulated by G. Alberti, on membrane diffusivity is examined.

Auf dem Weg zu einer effizienten, kohlenstofffreien Energiegewinnungsmethode erweisen sich mit Wasserstoff gespeiste Polymer Elektrolyt Brennstoffzellen (PEMFC) mit zusätzlicher Kraft/Wärme Kopplung als vielversprechend. Die hierzu erforderliche Erhöhung der Betriebstemperatur auf über 100 °C erfordert eine grundlegende Kursänderung in Hinblick auf das derzeitig eingesetzte Perfluorsulfonsäure basierte Material (PFSA). Die Verwendung von vernetztem, sulfoniertem Polyetheretherketon (XL-sPEEK) wird in diesem Zusammenhang als zielführend eingestuft. Folglich behandelt, die hier vorgelegte Arbeit hauptsächlich drei Kernthemen, die Entwicklung sPEEK enthaltender Gas Diffusions Elektroden (GDE), die Herstellung langlebiger Membran Elektroden Einheiten (MEA) und die Untersuchung der Gasbarriereeigenschaften von XL-sPEEK. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die vorgelegte Arbeit im Rahmen des von der EU geförderten LOLI PEM Projekts (FCH-2008) entstanden ist. Innovative, sPEEK enthaltende GDEen, welche von ihrer Leistungsfähigkeit auf einer Stufe mit Nafion basierten Systemen stehen, werden durch die Verwendung einer gepulsten, potentiostatischen Elektrodeposition hergestellt. Ein hoher Anteil an elektrochemisch aktivem Katalysator wird durch die Verwendung einer Wasserstoffverzehranode (HDA) erzielt. Charakterisierung erfolgt in erster Line auf Basis von Röntgendiffraktometrie, in situ und ex situ elektrochemischen Methoden und elektronischer Mikroskopie. Entsprechende Leistungskenndaten werden durch Polarisationskurven bei verschiedenen Temperaturen und relativen Feuchten (RH) erhalten. Die Entwicklung einer auf XL-sPEEK basierten MEA, welche Betriebstemperaturen über 100 °C stand hält und sich des Weiteren durch eine gute Leistung auszeichnet, konnte realisiert werden. Dieser Erfolg fußt auf einer Optimierung der laufzeit-relevanten Parameter, wie Heißpressbedingungen, Vorkonditionierprozedur und mechanischer Verstärkung der Polymer Elektrolyt Membran (PEM). Eine ausschlaggebende Materialeigenschaft, die unmittelbar mit der Langlebigkeit der MEA in Zusammenhang steht, ist die Permeabilität des eingesetzten PEM Materials gegenüber den eingesetzten Gasen. Angesichts dieser Wichtigkeit stellen wir einen Aufbau zur experimentellen Bestimmung der Wasserstoff- und Sauerstoff-Durchlässigkeit solcher Polymermaterialien vor. Folglich wird das Diffusions- und Permeations-Verhalten von XL-sPEEK beleuchtet und mit PFSA verglichen. Weiterhin wird der Einfluss der hydrothermalen Vorgeschichte, postuliert von G. Alberti, auf die Diffusionseigenschaften von Nafion untersucht.