FASER-KAT
Selbsttragende, strukturierte, elektrogesponnene Kohlenstoffnanofaservlies basierte Hochleistungs-Katalysatorschichten für PEM-Brennstoffzellen
Ziel des Projekts ist es, die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) zu steigern. Dafür kommt eine neuartige selbsttragende, strukturierte, elektrogesponnene Kohlenstoffnanofaservlies-basierte Katalysatorschicht (KS) zum Einsatz.
Mit solchen freistehenden Katalysatorschichtmaterialien soll die elektrische und thermische Leitfähigkeit der PEMFC-Reaktivzone (KS) erhöht werden. Zusätzlich wird die Platin (Pt) -Ausnutzung maximiert, die Ionomerbelegung minimiert sowie die Reaktanden-Diffusion und Elektrodenhaltbarkeit signifikant verbessert.
Die Kombination fortschrittlicher Herstellungsmethoden für die Katalysatorträgerstrukturen (Elektrospinnen, Oxidation, Karbonisierung) in Kombination mit dem Bikomponenten (BiKo) Spinnen der Nanofaser gewährleistet, dass sich die Pt-Katalysatoren im „Mantel“ der Nanofasern befinden. Zusätzlich sollen als Alternative nachträgliche Abscheidungsmethoden für Pt-NP – mittels Pt-Reduktion oder Auftragen von Pt-Kolloid auf Carbon Nanonfaservliese durchgeführt werden.
Die Herstellung der Kohlenstoffnanofasern (CNF, carbon nano fiber) bzw. der 3D-CNF-Strukturen und das Platinieren dieser werden hinsichtlich maximaler elektrochemischer Leistung und Haltbarkeit der KS sowie der Prozessskalierbarkeit – perspektivisch als Großserienfertigung – optimiert.
Abbildung 1: Generelle Funktionsweise eines Spinnstandes zum elektrostatischen Spinnen von Nanofasern (links), Pt/CNF-Vlies (Mitte), Reaktionsverlauf der CNF-Synthese (rechts)
Der neuartige Fertigungsansatz bietet folgende Vorteile gegenüber einer herkömmlichen Standard-KS:
Herstellung eines selbsttragenden Pt-haltigen Träger-Präkursors in einem Schritt mittels Elektrospinnens
Nachgelagerte Träger-Karbonisierung, vollständige Zersetzung des Mantelpolymers und ggf. Reduktion des Pt-Präkursors in einem thermischen Prozess, Optimierung durch:
Kontrolle der Katalysatordeposition durch Kern-Mantel-Elektrospinnen
Ggf. Beschichtung der CNF mit Pt-NP nach der CNF-Träger-Karbonisierung
Einstellbare Faser-Größe, -Orientierung und -Anbindung, Vlies-Dichte der Schicht und somit auch der späteren Katalysatorschicht sowie Einstellung des Karbonisierungsgrads
Gezielte Optimierung elektrischer, thermischer u. elektrochemischer KS-Eigenschaften:
Erhöhung der elektr. und therm. Leitfähigkeit des Vlieses bzw. der KS aufgrund der 2D-Ausdehnung (Aspektverhältnis) des Trägers und angepasster 3D-Struktur der Fa-serverbindungen, dadurch Absenkung von Verlusten und Erhöhung der Leistungsfähigkeit
Materialbedingte Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit durch gesteigerten Karboni-sierungsgrad und somit höheren Kohlenstoffanteil
Träger-Oberflächenvergrößerung (bis zu 1000 m2g-1) für Pt-NP
Skalierbares Fertigungsverfahren – als Mehrdüsenelektrospinnen oder Zentrifugal-Elektrospinnen umsetzbar – mit großem Potential für Rolle-zu-Rolle-KS Großserienfertigung
Elektrospinnen als KS-Fertigungsverfahren ist – aufgrund des relativ einfachen Aufbaus und keiner hohen Investitionen von KMUs kurzfristig umsetzbar und realisierbar.
Angaben zum Forschungsvorhaben:
Titel: Selbsttragende, strukturierte, elektrogesponnene Kohlenstoffnano-faservlies basierte Hochleistungs-Katalysatorschichten für PEM-Brennstoffzellen
Förderkennzeichen: 22598N
Laufzeit: 01.09.2022 bis 28.02.2025
Projektpartner: Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West gGmbH, Krefeld
Zentrum für Brennstoffzellentechnik GmbH (ZBT), Duisburg
Kontakt DTNW: Dr. Andreas Wego, Tel.: +49-2151-843-2017, E-Mail: wego@dtnw.de
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