Untersuchungen zur Strukturbildung von Elektrodenschichten für Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen
Creators: name: Hoffmann, Eva-Maria
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: PEMFC, Ionomer, Brennstoffzelle, Ruß, Carbon black, Schichtbildung

description: Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMFC) gilt als eine zukunftsträchtige Technologie zur Energieversorgung für mobile Anwendungen, insbesondere im Automobilsektor. Als Energieträger dient dabei Wasserstoff H2, welcher relativ einfach transportiert und gespeichert werden kann. In der PEMFC reagiert dieser dann mit Sauerstoff O2 kontrolliert zu Wasser, wodurch Energie frei wird. Eine PEMFC-Zelle enthält zwei Elektrodenschichten, in welchen die jeweiligen Halbzellenreaktionen (Oxidation und Reduktion) stattfinden. Diese Schichten bestehen aus Katalysatorpartikeln (üblicherweise Platin) auf Rußpartikeln und einem perfluoriertem Sulfonsäure (PFSA) Ionomer. Dabei dienen die Rußpartikeln als Katalysatorträger und Elektronenleiter in der Schicht, das Ionomer fungiert als Protonenleiter. Die Bildung dieser Elektrodenschichten erfolgt in der Regel durch Schichtbildungsverfahren aus Suspensionen, in welchen die Katalysator/Ruß-Partikeln und das Ionomer in einem Lösungsmittelgemisch dispergiert sind. Bei diesem Prozessschritt kommt es jedoch mitunter zur Ausbildung von unerwünschten Schichtstrukturen. Ein großes Problem ist beispielsweise Rissbildung in den Elektrodenschichten während des Trocknungsvorgangs. Dadurch werden die elektrischen bzw. protonenleitenden Pfade unterbrochen oder es kommt zu Bypass-Strömungen, was sich beides negativ auf die Leistung der Brennstoffzelle auswirkt. Auch kann es auf der Kathodenseite zur Ansammlung von Wasser in den Rissen kommen, was insbesondere in Wintermonaten mit Minusgraden ein Problem darstellt, wenn es dadurch zum Ausfrieren von Wasser in den Schichten kommt. Die bisherigen Untersuchungen zur Herstellung von Elektrodenschichten fokussieren sich weitestgehend auf die elektrochemische Leistung. Ein grundlegendes Verständnis der Strukturbildung in den Schichten ist jedoch nicht oder nur sehr unzureichend vorhanden. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss von Material- und Prozessparametern auf Suspensions- und Elektrodenschichteigenschaften systematisch untersucht. Dazu wurden sowohl Untersuchungen mit unterschiedlichen Ruß- und Ionomertypen und verschiedenen Konzentrationen durchgeführt als auch die Lösungsmittelzusammensetzungen variiert. Hinsichtlich der Prozessparameter wurde der Einfluss der Dispergiermethode und der Schichtbildungs- und Trocknungstemperatur analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Verwendung von hochstrukturierten/verzweigten Rußen Vorteile hinsichtlich der Rissbildung bringt, da diese Rußpartikeln porösere Schichten mit größeren Poren bilden. Dadurch treten während des Trocknungsprozesses geringere Trocknungsspannungen auf. Die Zugabe von Ionomer führt zu einer kolloidalen Stabilisierung der Rußpartikeln, da die Ionomerpartikeln an der Rußoberfläche adsorbieren. Es werden hierdurch geringere Partikelgrößen und niedrigere Viskositäten der Ausgangssuspensionen erzielt. Die Stabilisierung der Rußpartikeln hat zur Folge, dass sie sich in der Elektrodenschicht enger packen können, was zu niedrigeren Schichtporositäten führt. Aufgrund des im Vergleich zu den Rußpartikeln geringeren Elastizitätsmoduls und damit der besseren Verformbarkeit der Ionomere, können entstehende Trocknungsspannungen jedoch besser abgebaut werden, und die Rissbildung wird, zumindest bis zu einer gewissen Grad, reduziert. Dieses Verhalten kann bei hohen Temperaturen noch verstärkt werden, da sich mit ansteigender Temperatur das E-Modul des Ionomers verringert. Die Konformität des Ionomers kann über die Zusammensetzung der Lösungsmittelphase eingestellt werden. Bei hohen Wassergehalten liegen die Ionomermoleküle eher als kleine „Knäule“ vor, während hohe Alkoholkonzentrationen zu einer entfalteten Ionomerstruktur führen. Dadurch ändert sich das Adsorptionsverhalten des Ionomers auf der Rußoberfläche und damit auch die Suspensionscharakteristika, was sich auf die spätere Schichtmorphologie auswirkt. Je höher der Alkoholgehalt, desto weniger Ionomer adsorbiert auf den Rußpartikeln und dadurch werden rauere und porösere Schichten erzielt.