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Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen

Söhn, Matthias :
Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Dissertation Matthias Söhn: Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kohlenstoff-Nanoröhrchen als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen
Language: German
Abstract:

Bedingt durch den Klimawandel und die Verteuerung fossiler Rohstoffe wird der Bedarf an effizienten Energiewandlern in naher Zukunft stark steigen. Brennstoffzellen bieten aufgrund ihrer Funktionsweise einige Vorteile gegenüber den bislang verwendeten thermischen Wandlungsverfahren, die hauptsächlich auf thermodynamischen Kreisprozessen beruhen. Bislang scheitert der kommerzielle Einsatz von Brennstoffzellen an hohen Preisen u.a. für den Edelmetallkatalysator. Auch die Lebensdauer der teuren Zellen ist durch die Korrosion des Kohlenstoffträgersubstrats auf der Sauerstoffseite limitiert. Die in den neunziger Jahren entdeckten Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) weisen bemerkenswerte Eigenschaften gegenüber amorphem Kohlenstoff auf. Aufgrund ihrer Struktur sind sie in der Lage, poröse, elektrisch leitfähige und mechanisch stabile Netzwerke zu bilden, was sie als Elektrodenmaterial für PEM-Brennstoffzellen interessant macht. In dieser Arbeit wird ein Verfahren zur Abscheidung nanoskaliger Katalysatorpartikel (Platin/Ruthenium) auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen vorgestellt. Es beruht auf der nasschemischen Reduktion von Metallsalzen mit Hilfe von Ethylenglycol. Bislang wurde dieses Verfahren bei konventionellem Kohlenstoffsubstrat (Ruß) eingesetzt. Durch das gegenüber Ruß stark veränderte Benetzungsverhalten von CNTs sind bisherige Verfahren zur Katalysator- und Elektrodenherstellung nicht direkt übertragbar. So neigen CNTs dazu, Bündel zu bilden, die das Eindringen von wässrigen Lösungen ins Innere dieser Bündel verhindern. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Beladung mit dem metallischen Katalysator führen. Das hier beschriebene Verfahren beruht auf der Dispersion der CNTs mit Hilfe von Ultraschall in Butylacetat, einer unpolaren Flüssigkeit, was zu einer Trennung der Bündel führt. Durch Zugabe von Nafion(R)-Lösung und erneuter Ultraschallbehandlung wird eine Emulsion mit Ethylenglycol erzeugt, bei der sich das Butylacetat zu ca. 30µm großen Tröpfchen formt, deren Hülle aus Nafion(R) und feinverteilten CNTs besteht. Es ergibt sich somit eine große Oberfläche, welche zum Ankoppeln der Katalysatorpartikel zur Verfügung steht. Damit wird eine hohe und homogene Beladung der Nanotubes mit Katalysatorteilchen erreicht (bis zu 50 Gewichtsprozent), wobei die Größenverteilung der abgeschiedenen ca. 3 nm großen Teilchen eng bleibt (+- 0,5 nm). Das zugesetzte Nafion(R) fördert nicht nur als Emulgator die Synthese sondern erhöht auch die für die Elektrodenfunktion notwendige Protonenleitfähigkeit des Materials. Das Kompositmaterial wird mit verschiedenen materialwissenschaftlichen Methoden (XRD, SEM, TEM, TGA-MS, CV) charakterisiert. Weiterhin wird die Herstellung von Brennstoffzellen-Elektroden ausführlich beschrieben. Die Zusammensetzung und Morphologie der Elektroden sowie die Dicke des Membranmaterials werden variiert. Die Leistungsfähigkeit der Elektroden wird durch zyklische Aufnahme von Strom-Spannungskurven in einem Brennstoffzellen-Teststand bestimmt, dabei werden Leistungsdichten bis zu 770 mW cm^-2 bei einer Platinbeladung von 0,3 mg cm^-2 erreicht. Die Membran-Elektroden-Einheit wird vor und nach dem Testbetrieb in der Brennstoffzelle mittels SEM untersucht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Climate change and expensive fossil fuels will increase the need for efficient heat and power converters. Because of their unique electrochemical conversion process, fuel cells have the potential to be much more efficient than conventional power plants. However, a short lifespan and high prices of the noble metals in the electrode layer have prevented their commercial success until now. In addition to the degradation of the catalyst, carbon corrosion at the cathode strongly affects the lifespan of PEM fuel cells. Carbon Nanotubes (CNTs), a new allotrope of carbon which was discovered in 1991, are presumed to have great potential to replace the currently used carbon black as electrode substrate due to their excellent mechanical and chemical stability and good conductivity. This thesis reports an enhanced method to deposit nanoscaled noble metal catalysts (Pt/Ru) uniformly on carbon nanotubes based on wet chemical reduction of anorganic precursors via ethylene glycol. This well-known method is widely used to deposit noble metal catalyst particles on carbon black. Unfortunately, carbon nanotubes tend to agglomerate and therefore form bundles which cannot be penetrated by the precursor. Thus, effectiveness of the substrate is reduced. The new method prevents this by suspending the CNTs in butyl acetate by means of ultrasonic dispersion leading to a homogenous distribution. Because the butyl acetate is almost unpolar, it is nearly immiscible with the water-based ethylene glycol mixture. This problem has been solved by adding liquid Nafion(R) which acts as an emulsifying agent. Thus an emulsion is created by ultrasonic treatment. This results in 30µm-sized droplets of butyl acetate with a layer of CNTs and Nafion(R). The large interface to the ethylene glycol phase yields a large surface for homogenous catalyst deposition. The prepared samples showed a narrow size distribution (+-0.5nm) of small noble metal particles with loading up to 50% by weight and an average particle size of 3 nm. They are investigated using XRD, SEM, TEM, TGA-MS and CV. The added Nafion(R) improves catalyst utilisation by establishing a proton conductive path to the catalyst particles. Furthermore, different manufacturing techniques for the CNT electrodes are evaluated. Thin layer Membrane-Electrode-Assemblies (MEAs) are prepared by the airbrush technique. Electrode thickness, composition and structure as well as membrane thickness is varied and the MEAs are tested in a single-cell hydrogen-oxygen-fed PEM fuel cell. The cells are characterised by cyclic IV curves which are recorded over an extended period of time, showing power densities up to 770 mW cm^-2 at a platinum loading of 0.3 mg cm^-2. Additionally, the MEAs are investigated prior to and after fuel cell tests by SEM.English
Uncontrolled Keywords: Brennstoffzellen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Katalysatorsynthese
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Brennstoffzellen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, KatalysatorsyntheseGerman
Fuel Cells, Catalyst Synthesis, Carbon NanotubesEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Strukturforschung
Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Regenerative Energien
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 18 Aug 2010 09:37
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22415
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hartkopf, Prof.-Dr.I Thomas and Roth, Juniorprof Christina
Refereed: 21 June 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2241
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