Bereich Industrielle Gemeinschaftsforschung

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Entwicklung eines neuen Brennstoffzellenkonzeptes unter Nutzung von sauren Zeolithen als neuartige Ionenaustauschermedien in Kombination mit Metallschaumkatalysatoren

AiF-FV Nummer: 297

Laufzeit:

01.06.2008 - 30.09.2010

Forschungsstellen:

  • Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.
    Bliersheimer Str. 60, 47229 Duisburg
    www.iuta.de

  • Universität Kaiserslautern Lehrstuhl für Technische Chemie
    Erwin-Schrödinger-Straße 52, 67663 Kaiserslautern
    www.chemie.uni-kl.de

  • fem Forschungsinstitut Edelmetalle und Metallchemie
    Katharinenstr. 17, 73525 Schwäbisch Gmünd
    www.fem-online.de

  • Zentrum für Brennstoffzellen gGmbH
    Carl-Benz-Str. 201, 47057 Duisburg
    www.zbt-duisburg.de/

Zusammenfassung:

Gegenstand des Forschungsvorhabens war es, in Anlehnung an die bekannten PEMBrennstoffzellen eine neue Art von Brennstoffzellen zu entwickeln, bestehend aus einer Kombination von sauer eingestellten Zeolithen als Elektrolyt und Metallschaumkatalysatoren, die als Katalysator, Diffusionsschicht und Elektrode dienen sollen. Diese neuen Brennstoffzellen sollten die Nachteile von PEM- Brennstoffzellen wie Temperaturempfindlichkeit der Membran und die Notwendigkeit der permanenten Befeuchtung nicht mehr aufweisen. Zur Erreichung des Forschungsziels wurde das Forschungsvorhaben vom Institut für Energie- und Umwelttechnik - IUTA e.V. (FS1), dem Lehrstuhl für Technische Chemie der Universität Kaiserslautern ? TU (FS 2), dem Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie - FEM (FS 3) und dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik gGmbH ? ZBT (FS4) bearbeitet. IUTA e.V. (FS 1) oblag der Bau der Brennstoffzellen und die Durchführung der Funktionstests, die FS 2 (Universität Kaiserslautern) synthetisierte verschiedene Zeolith-Typen, die am ZBT gGmbH (FS 4) auf ihre Protonenleitfähigkeit und bezüglich ihresWasserhaltevermögens untersucht wurden. Die Herstellung der Katalysatoren auf der Basis von Metallschäumen, beschichtet mit Platin oder Palladium, erfolgte am FEM (FS 3). Zur Bewertung der einzelnen Zeolith/Metallschaumkatalysator-Kombinationen wurde die offene Zellspannung gemessen, die als erster Indikator für die Eigenschaften herangezogen wurde, und durch Aufnahme der sich einstellenden Stromstärken. Die Versuche erfolgten mit einfach gefertigten Laborbrennstoffzellen. Als Ergebnis der Screeningversuche mit insgesamt 12 Paaren Pt- und Pd-Metallschaumkatalysatoren auf den unterschiedlichen Trägerqualitäten ist festzustellen, dass die Aktivitäten kaum von der Porosität der Metallschaumträger abhängig sind. Aus fertigungstechnischen Gründen ist der mittelporige Träger NC 2733 zum Aufbau von Brennstoffzellen gut geeignet. Die in den Versuchen erhaltenen offenen Zellspannungen mit Pt-Katalysatoren sind durchweg höher, als die von Pd-Metallschaumkatalysatoren. So konnte mit einem Pt-Metallschaumkatalysator eine offene Zellspannung um 800 mV gemessen werden, was im Bereich üblicher PEM-Brennstoffzellen liegt. Die vergleichende Bewertung der insgesamt 12 Zeolithmuster und eines sulfonierten Standardzeolithen HZSM5-25 erfolgte in einer PVC-Brennstoffzelle, die mit Pd-Metallschaumkatalysatoren versehen war. Es war bei allen untersuchten Zeolithmustern eine Zugabe von Wasser notwendig, um die Aktivität zur Protonenleitung auszubilden. Mit den Zeolithen NH4ZSM5 nSi/nAl = 45 konnte eine hohe offene Zellspannungen und eine, allerdings sehr geringe Stromstärke gemessen werden. Die Impedanzmessungen der Zeolithe von FS 1 bestätigen, dass dieser Zeolith für eine Anwendung in Brennstoffzellen geeignet erscheint. Zusätzlich wurde ein sulfonierter HZSM5-25 getestet, der bei einer nur durchschnittlich hohen offenen Zellspannung eine Stromstärke unter Last bis zu 260 ?A zeigte. Die aus den Strom- und Spannungswerten errechneten elektrischen Leistungen der einzelnen Brennstoffzellenkombinationen bis 2,2 ?W/cm2 sind bisher in Anbetracht der üblichen Leistung von PEM-Brennstoffzellen von ca. 0,6-0,8 W/cm2 verschwindend gering, Die Gründe für die bisher schlechten Leistungsausbeuten sind vielschichtig, aber hauptsächlich in der noch nicht ausreichenden Katalysatoraktivität zu suchen. Durch eine Steigerung der Protonenleitfähigkeit der Zeolithe durch Sulfonierung sowie optimierter Bauweise des Brennstoffzellengehäuses zur besseren Anbindung Zeolith zu Metallschaum, stärkere Kompaktierung der Zeolithe, bessere Stromabnehmer und stärkere Edelmetallbeladungen (evtl. mit Promotoren) der Metallschaumkatalysatoren sollte es möglich sein, deutlich leistungsstärkere Brennstoffzellen zu fertigen. Die Ziele des Forschungsvorhabens wurden teilweise erreicht.

Förderhinweis:

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Abschlussbericht:

Abschlussbericht zum Download

Abschlussbericht für das IGF-Forschungsvorhaben 297 ZN: "Entwicklung eines neuen Brennstoffzellenkonzeptes unter Nutzung von sauren Zeolithen als neuartige Ionenaustauschermedien in Kombination mit Metallschaumkatalysatoren"