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Einfluss der Trägermorphologie auf die 3D-Elektrodenstruktur von Kathoden in Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen

Peter, Benedikt :
Einfluss der Trägermorphologie auf die 3D-Elektrodenstruktur von Kathoden in Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss der Trägermorphologie auf die 3D-Elektrodenstruktur von Kathoden in Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzellen
Language: German
Abstract:

Die von der deutschen Bundesregierung beschlossene Energiewende und der damit ver-bundene Umstieg auf erneuerbare Energiequellen zur Stromerzeugung bringt neue techni-sche Herausforderungen mit sich. Neben dem in den Medien viel diskutierten Ausbau des Stromnetzes zur Überwindung von räumlichen Distanzen („von der Nordsee an die Alpen“) muss auch die Diskrepanz zwischen Stromerzeugung und Stromnutzung ausgeglichen werden. Eine Möglichkeit hierzu ist die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse zu Zeiten eines hohen Stromaufkommens, um diesen bei Bedarf wieder in Strom umzuwandeln. Die effektivste Methode um aus Wasserstoff wieder Strom zu erzeugen ist die verbrennungsfreie chemische Umwandlung in Brennstoffzellen. Einer der größten Faktoren, der die flächendeckende Markteinführung von Brennstoffzellen noch behindert, ist die Menge des in den Elektroden benötigten Platins. Ziel dieser Arbeit ist es einen Bei¬trag zur effektiveren Ausnutzung des Platins innerhalb der Kathoden von Polymerelektro-lytmembran (PEM)-Brennstoffzellen zu leisten. Innerhalb der porösen Kathode einer PEM-Brennstoffzelle findet die Reduktion von Sauer-stoff zu Wasser statt. Um ein Verstopfen der Poren innerhalb der Elektrode zu verhindern muss dieses möglichst effektiv abgeführt werden. Gleichzeitig ist es erforderlich den ionen-leitenden Elektrolyten ausreichend mit Wasser zu befeuchten, um seine Ionenleitfähigkeit zu erhalten. Daher ist es unerlässlich ein Gleichgewicht zwischen Wasserzufuhr und Wasser-entnahme innerhalb der Brennstoffzelle zu finden. Auch innerhalb der Elektroden, besonders aber innerhalb der Kathode, muss der Wasserhaushalt effektiv gesteuert werden um die aktiven Zentren optimal nutzen zu können. Daher wurden in dieser Arbeit einerseits Träger mit unterschiedlicher Morphologie und andererseits weiterentwickelte Präparati-onsmethoden genutzt um die Struktur der Kathoden gezielt zu beeinflussen. Der erste Teil der Ergebnisse dieser Arbeit befasst sich dabei mit der Herstellung und Cha-rakterisierung von chemisch identischen Trägern mit unterschiedlicher Morphologie. Die chemische Identität der Trägermaterialien ist notwendig um zu gewährleisten, dass gleiche Platin-Nanopartikel auf den Trägern abgeschieden werden. Als Ausgangsmaterial wurde hierzu Polyanilin (PANI) genutzt, da bei diesem durch geringfügige Änderung der Synthe-sebedingungen große Morphologieunterschiede erhalten werden können. Dieses wurde durch Karbonisieren in stickstoffhaltigen Kohlenstoff umgewandelt. Bei der Karbonisierung von mit Platin beladenem PANI wurde eine Stabilität der Nanopartikel bis 1000 °C beo-bachtet. XPS-Messungen an diesen Proben konnten zeigen, dass bei diesen Materialien eine Kopplung von Platin an pyrrolische Stickstoffgruppen vorhanden ist. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden aus den charakterisierten Materialien verschiedene Kathoden präpariert, deren Leistung in realen Brennstoffzellentests verglichen und die Struktur der Kathoden mittels elektronenmikroskopischer Techniken untersucht wird. Anschließend wird die elektrochemische Leistung mit der Struktur korreliert. Dabei geben vor allem die 3D-Untersuchungen durch Rasterelektronenmikroskopie mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB-SEM) Einblick in die reale Struktur der Elektroden. Deren statistische Auswertung hilft dabei die für den Wassertransport wichtige Porenstruktur zu verstehen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The decision of the German Federal Government on energy transition and the associated transition to renewable energy sources for electricity generation brings new technical challenges. In addition to the much-discussed expansion of the electrical grid to overcome physical distances ("from the North Sea to the Alps") the discrepancy between power gen-eration and power use must be balanced. One possibility is the production of hydrogen by electrolysis in order to convert back at times of excessive energy. The most effective way to generate electricity from hydrogen is the combustion free chemical conversion in fuel cells. One of the biggest factors hindering the widespread market introduction of fuel cells is the still high amount of platinum needed in the electrodes. The aim of this work is to contrib¬ute to a more effective utilization of the platinum in the cathode of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. The reduction of oxygen to water takes place within the porous cathode of a PEM fuel cell. To prevent a clogging of the pores inside the electrode this must be dissipated as effectively as possible. At the same time, however, the ion-conducting electrolyte must be sufficiently moistened with water to guarantee its ionic conductivity. Therefore, a balance between water supply and water removal within the fuel cell must be found. As well within the electrodes, but particularly within the cathode the water management must be effectively controlled to gain best performance of the active centers. Therefore the structure of the cathodes was influenced on the one hand by using support materials with different morphology and on the other hand by applying advanced preparation methods. The first part of the results of this work deals with the preparation and characterization of chemically identical support materials with different morphologies. The chemical identity of the support materials is necessary to ensure that similar platinum nanoparticles are deposited on the substrates. Polyaniline (PANI) was used as a starting material, since it can be obtained with large morphological differences by only slightly changed synthesis conditions. This was converted by carbonizing in nitrogen-containing carbon. In the carbonization process of PANI loaded with platinum, stability of the nanoparticles was observed up to 1000 °C. XPS measurements on these samples were able to show that in these materials, a coupling of platinum to pyrrolic nitrogen groups is existent. In the second part of this thesis, several cathodes are prepared from the characterized materials whose performance was compared in real fuel cell tests and the structure of these cathodes is investigated by means of electron microscopic techniques. Then, the electro-chemical performance is correlated with the structure. Particularly, the 3D measurements using focused ion beam electron microscopy (FIB-SEM) gave insight into the real structure of the electrodes. Their statistical analysis helped to identify the important pore structures for water transport. English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Erneuerbare Energien
Date Deposited: 11 Feb 2015 10:51
Last Modified: 11 Feb 2015 10:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43836
Referees: Roth, Prof. Dr. Christina and Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 19 December 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4383
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