Kosteneffiziente Brennstoffzellen der nächsten Generation
Brennstoffzellentechnologie auf Basis von Polymerelektrolytmembrantechnologien (PEM) besitzen das Potenzial, den Transport zu revolutionieren, die Brennstoffeffizienz zu erhöhen und die Umweltauswirkungen zu senken. Allerdings müssen die Kosten reduziert werden, wenn sie auf dem Markt rentabel werden sollen. Fast alle aktuellen PEM-Brennstoffzellen verwenden Platinpartikel auf porösen Kohlenstoffträgern, um Wasserstoff-Oxidation und Sauerstoffreduktion zu katalysieren. Mit Ausnahme der Katalysatoren hat sich die Arbeit bis heute kaum auf andere Aspekte der aktiven Schichten konzentriert, die eine entscheidende Rolle bei der Brennstoffzellenleistungsfähigkeit spielen. Das Projekt PEMICAN (PEM with innovative low cost core for automotive application) die Enzwicklung aktiver Schichten einen Schritt weiter gebracht. PEMICAN schlug vor, die Katalysatorkosten auf 0,15 g Platin pro kW zu reduzieren. Zu diesem Zweck konzentrierte es sich auf die Steigerung des Katalysatoreinsatzes und der Leistungsdichte durch Verbesserung der Transporteigenschaften von aktiven Schichten. Diese Vorgehensweise wurde mit der Verringerung der Katalysatorbeladung durch Kontrolle seiner Verteilung auf einer sehr dünnen Schicht auf der Anodenseite und Steigungen auf der Kathodenseite kombiniert. Es wurden Anstrengungen zur Einführung von spezifischen Elektrolyten und Ruß in die aktiven Schichten unternommen. Diese neuen Rohstoffen trugen zur Verbesserung des Ladungs- und Gastransfers bei und erhöhten den gelieferten elektrischen Strom und somit die Leistungsdichte. Um die Katalysatorladung zu senken, setzten die Partner Platin an den Stellen eine, an denen dies am nützlichsten ist. Tests zeigten, dass eine hohe Leistungsdichte schwierig mit einem derart geringen Katalysatorladungsziel zu erreichen ist (d.h. 0,15 g / kW). Die Priorität für die Zukunft ist, die Leistungsdichte zu erhöhen, um im Idealfall 1 W pro Quadratmeter, auch wenn größere Katalysatorladungen dafür notwendig sein sollten. Die Partner schafften es nur, die Platinladung von 1 bis 0,57 g pro Platin zu verringern. Ein weiteres Ergebnis war die Entwicklung eines Porennetzwerkmodells der Kathodenkatalysatorschicht. Simulationen haben gezeigt, dass nicht einheitliche Elektroden eine positive Auswirkung auf die PEM-Brennstoffzellenleistung haben, während je dünner die Elektrode ist desto effizienter wird der Platin-Katalysator sein. Die Projektergebnisse zur Senkung der Kosten für PEM-Brennstoffzellen beitragen, sodass eine Massenmarktentwicklung für Automotive-Anwendungen möglich wird. Obwohl der Fokus auf reinem Platin lag, sollten die Projektergebnisse auch bei Nicht-reinem Platin nützlich sein, das weitere Kostensenkungen bietet.
Schlüsselbegriffe
Brennstoffzellen, Platin, Polymerelektrolytmembran, aktive Schichten, Automobil-, Leistungsdichte
