Verbundvorhaben HoKaWe - Hochleistungskatalysatoren und verbesserte Herstellungsverfahren für die nächste Generation von Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyseuren

Abstract

Das zentrale Ziel des HoKaWe Projekts lag in der Entwicklung und Bewertung von neuen Katalysatoren und Polymeren für die Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyse. Dabei stand die Reduktion der Iridium Beladung der hergestellten Elektroden bei vergleichbarer Zellperformance und geringer Alterung im Vordergrund. Gleichzeitig wurde im Zuge der Untersuchung der neuen Materialien die in vorangegangen Projekten entwickelten Herstellungsverfahren neu betrachtet und auf ihre Tauglichkeit für Hochdurchsatz Fertigung für den GW-Maßstab und resultierender Zellperformance bewertet. Im Zuge dessen konnte gezeigt werden, dass der zuvor verwendetet PTE Herstellungsansatz (Katalysatortinte mittels Sprühbeschichtung auf poröse Transportschicht auftragen), zu einem Verlust von bis zu 60 Gew.% des Katalysators führt. Daher wurden sämtliche Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) im Decal Verfahren hergestellt. Zunächst wurden die von Umicore bereitgestellten Katalysatoren mit unterschiedlichen Trägermaterialien und Iridium Beladungen mittels Leitfähigkeitsmessungen und Elektronenrastermikroskop auf ihre Tauglichkeit für die Anwendung in der Vollzelle untersucht. Dabei zeigt sich ein signifikanter Einfluss des Trägermaterials und dessen Oberfläche. Als neues Trägermaterial zeigte Niob vielversprechende Ergebnisse. Zur Bewertung der elektrochemischen Performance der Katalysatoren und der 3M Ionomere wurden am HI ERN parallel ein neuer Gas-Diffusions-Elektroden Prüfstand (GDE) und ein Doppelprüfstand für Vollzellmessungen aufgebaut. Zur Bewertung der Stabilität der Katalysatoren wurden zunächst Versuche in einer Rasterflusszelle, on-line gekoppelt an ein ICP-MS (SFC-ICP-MS) durchgeführt und anschließend anwendungsnähere Katalysatorschichten im GDE Prüfstand auf Aktivität und Auflösungsstabilität untersucht. In den durchgeführten Messungen zeigte sich, dass die Umicore Katalysatoren Maßstäbe hinsichtlich der Stabilität kommerzieller Katalysatoren setzten und über eine gute Aktivität verfügten. In den Vollzelltests konnte darauf aufbauend gezeigt werden, dass die neuen Katalysatoren mit Niobträger aufgrund ihrer vorteilhaften Struktur zu geringeren Widerständen innerhalb der Katalysatorschicht führten. Dadurch konnte die Beladung der Katalysatorschicht ohne Einbußen von ≥ 2,0 mgIr cm-2 auf > 1,2 mgIr cm-2 reduziert werden. Die 3M Polymere mit unterschiedlichen Äquivalentgewichten wurden zunächst als Dispersion und anschließend als Membranen charakterisiert. Bei der Verwendung der Polymere als Membran und Anodenpolymer wurden vielversprechende Zellperformances erreicht. Jedoch wurden auf der Anodenseite für die 50 μm dicken Membranen mit 4-6 Vol. % H2 in O2 explosive Gemische gemessen. Zudem erlaubte die fehlende mechanische Stabilität der Membranen nur Messungen bei atmosphärischem Druck. Zur Bewertung der Stabilität der Katalysatoren wurden am IfES Hannover 500 Stunden Stresstests von MEAs mit dem neuen Katalysator (IrO2/NbOx) sowie dem Referenzsystem (IrO2/TiO2) auf Nafion™ 117 mit Iridum Beladungen von 2,0 mgIr cm-2 und 0,8 mgIr cm-2 durchgeführt. Im Zuge dieser Messungen konnten für diese MEA-Konfigurationen keine Alterungserscheinungen festgestellt werden. Weiterhin wurden Messungen von lokalen Potentialen mit Hilfe eines drei Elektroden Referenzelektroden Systems durchgeführt. Insgesamt konnten im Projekt neue Erkenntnisse für das notwendige Design für Iridium Trägerkatalysatoren zur weiteren Reduktion der Iridium Beladung generiert werden. Da die Umicore Katalysatoren sich als außerordentlich stabil erwiesen, ist davon auszugehen, dass auch niedrig beladene Elektroden für Langzeitoperation geeignet sind. Datei-Upload durch TIB