FURTHER-FC

Das FURTHER-FC project adressiert die Lücke im Verständnis der Leistungseinschränkungen aufgrund der Kopplung zwischen elektrochemischen und Transportproblemen in der Kathodenkatalysatorschicht (CCL). Dadurch soll ein einzigartiger, globaler, umfassender und höchst innovativer Weg zu einem besseren Verständnis der Leistungseinschränkungen in PEMFCs entwickelt werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Kathodenkatalysatorschicht (CCL) als dem größten Engpass für Leistung, Kosten und Haltbarkeit zukünftiger hochleistungsfähiger PEMFC mit niedrigem Pt-Gehalt.

Der Ansatz kombiniert alle erforderlichen originalen und/oder fortschrittlichsten experimentellen und modellierenden Methoden mit intensiver grundlegender Charakterisierung in Verbindung mit fortschrittlichen Modellen für CCL unterschiedlicher Zusammensetzung/Strukturen unter Einbeziehung neuartiger und bahnbrechender Materialien, um Schlussfolgerungen zu Transport- und elektrochemischen Fragen auf den verschiedenen Skalen der CCL zu ziehen.

Dank dieses Ansatzes hat FURTHER-FC neue Elektrodenstrukturen vorgeschlagen und validiert, die speziell entwickelt wurden, um die bei SoA MEA beobachteten Einschränkungen zu vermeiden und die Katalysatoreffizienz sowie die Leistungsdichte zu verbessern. Dank eines besseren Verständnisses des Zusammenhangs zwischen der CCL-Mikrostruktur, den lokalen Bedingungen und den Eigenschaften geht der Ansatz auch auf Fragen der Haltbarkeit ein.

Die Hauptziele des Projekts lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Beschreiben der Struktur und der Transporteigenschaften und -mechanismen des CCL in seinen verschiedenen Größenordnungen
2. Charakterisierung der lokalen Bedingungen im CCL während des Betriebs
3. Herstellen der Verbindung zwischen der Struktur / den Eigenschaften von CCL, den lokalen Bedingungen während des Betriebs und der Leistung
4. Vorschlag und Validierung der Struktur und Zusammensetzung von CCL mit verbesserter Katalysatoreffizienz und Haltbarkeit

Weiter-FC-Ambitionen:

Die CCL ist die Komponente, die die Leistung und Haltbarkeit am meisten einschränkt. Das liegt vor allem an den Bedingungen, unter denen die Sauerstoffreduktion stattfindet, sowie an ihrer trägen Kinetik. Sie ist auch die am wenigsten verstandene Komponente im Vergleich zur Gasdiffusionsschicht oder Membran. Die grundlegenden Gründe für die Leistungseinschränkungen der CCL werden derzeit noch diskutiert.

FURTHER-FC ermöglicht ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen der Zusammensetzung und der Struktur von CCL auf der Basis von Platin/Kohlenstoff-Nanopartikeln, ihren effektiven Transporteigenschaften und Grenzen und schließlich der Gesamtleistung der Brennstoffzelle. Dies ist eine Voraussetzung für ein rationales Design von effektiven CCL, das die Herstellung hocheffizienter und langlebiger MEA mit geringer Platinbeladung ermöglicht. Somit verbesserte FURTHER-FC das Wissen über:

• Mikrostruktur der CCL
• Korrelation zwischen Transporteigenschaften und verwendeten Komponenten (Katalysator, Kohlenstoff, Ionomer)
• Lokale Bedingungen im CCL während des Betriebs
• Leistungseinschränkungen durch Transportphänomene
• Modellierung von Transportphänomenen in CCL

Die Rolle des DLR im FURTHER-FC Projekt:

Das Ziel des DLR war es, durch die Kombination von Modellierung und experimentellen Techniken das Verständnis der Leistungseinschränkungen in CCLs bei geringer Pt-Beladung und geringer CCL-Dicke zu verbessern. Dabei wurden Ansätze zur Abmilderung von Leistungseinschränkungen entwickelt und vorgeschlagen. Dazu gehören:

• Untersuchung der Auswirkungen der CL-Parameter auf die CCL-Leistung und die Transporteigenschaften unter Verwendung von Differentialzellen.
• Gitter-Boltzmann-Simulationen im Agglomeratmaßstab zur Untersuchung der Einschränkungen des Sauerstofftransports.
• Multiskalenmodellierung der einzelnen Zelle, um Mechanismen auf niedrigerer Skala mit der Zellleistung zu verbinden.
• Bestimmung der O2-Transportwiderstände
• Bestimmung von Protonentransportwiderständen
• Herstellung einer Verbindung zwischen Transportbeschränkungen und Haltbarkeit im CL.

Ergebnisse von FURTHER-FC:

Eine vollständige Parameterstudie unter Verwendung von CCLs mit unterschiedlichen Materialien und Zusammensetzungen wurde verwendet, um elektrokinetische und Massentransport-Einschränkungen zu identifizieren. Die Arbeit wurde durch detaillierte elektrochemische Messungen an maßgeschneiderten MEAs in Kombination mit der Simulation der beteiligten Prozesse durchgeführt. Die Kathodenseiten dieser untersuchten MEAs wurden modifiziert, um das Verständnis der Korrelation zwischen Materialeigenschaften und auftretenden Einschränkungen zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden unter anderem die Platinbeladung der Kathode, das Ionomer-Kohlenstoff-Verhältnis, der Katalysatorträger, das Platin-Kohlenstoff-Verhältnis und das Ionomer verändert.

Im Rahmen von FURTHER-FC konnte das Konsortium die Analyse- und Simulationswerkzeuge verbessern:

• Verbesserung der 3D-Elektronentomographie.
• Quantifizierung der Ionomer-Verteilung.
• Bestimmung der H+- und O2-Transporteigenschaften in Ionomer-Dünnschichten in Abhängigkeit von der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit.
• Informationen über den lokalen Wassergehalt in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit.
• Messung der effektiven CCL-Eigenschaften auf der lokalen und makroskopischen Skala.
• Entwicklung der in-situ und operando Raman-Thermographie zur Bestimmung der Membrantemperatur.
• Upscaling-Ansatz zur Modellierung effektiver Transporteigenschaftstensoren auf der Grundlage von 3D-Bildern.
• Verknüpfung der Materialeigenschaften von Ionomer und Kohlenstoff mit der Zellleistung durch die Entwicklung eines skalenübergreifenden Ansatzes von der sub-µm-Skala bis zur Zellskala.
• Implementierung einer gründlichen Modellvalidierung, die transiente Polarisationskurven, Impedanzspektren sowie eine Grenzstromanalyse verwendet, um die genaue Darstellung der verschiedenen physikalischen Prozesse im Modell zu gewährleisten.

Die Kombination dieser neu entwickelten und bereits vorhandenen Tools ermöglichte Fortschritte in verschiedenen Bereichen:

• Besseres Verständnis der leistungsbegrenzenden Prozesse (insbesondere O2-Transport in CCL) und Vorschlag verschiedener Szenarien und Hypothesen, um diese zu erklären (einige sind vollständig validiert, andere müssen noch genauer untersucht werden).
• Besseres Verständnis des Einflusses von Ionomer (D2020, HOPI), Kohlenstoffträger (graphitiert, High Surface Area) und Katalysatorbeladung für verschiedene Betriebsbedingungen.
• Verbesserte CCL mit erhöhter Leistung wurden hergestellt und demonstriert.
• Nachweis einer verbesserten Haltbarkeit von MEAs unter Verwendung von HOPI als Ionomer in CCL für Automobilanwendungen.
• Gesteigerte Leistung unter Verwendung von HOPI-Ionomer auch unter den für Schwerlasttests relevanten Bedingungen.

Konsortium und Finanzierung:

FURTHER-FC stützt sich auf die einzigartige Komplementarität, die aktive Beteiligung und die enge Zusammenarbeit von starken und renommierten Akteuren in den Bereichen Herstellung, Experiment und Modellierung. Sie bringen teilweise exklusives Fachwissen über einzigartige und unverzichtbare experimentelle Techniken und Modellierungswerkzeuge von der CCL-Komponente bis zur Zellebene ein.