Die globale Energie- und Transportlandschaft verändert sich rasant, wobei erneuerbare Energien um die intelligente Energiespeicherung ergänzt werden. Brennstoffzellen werden ein wichtiger Bestandteil der intelligenten Energieinfrastruktur sein und eine lokale Energieerzeugung für stationäre und mobile Anwendungen bieten. Speziell im Transportsektor stoßen Elektrofahrzeuge, die mit Wasserstoffbrennstoffzellen angetrieben werden, auf zunehmend großen Anklang und werden bald das Potenzial haben, mit batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen zu konkurrieren. Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Fahrzeugen, die mindestens 30 Minuten benötigen, um vollständig aufgeladen zu werden, bieten Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb den Vorteil eines schnellen Ladevorgangs. 

Darüber hinaus beinhalten die Elektrodenmaterialien von Brennstoffzellen keine toxischen Elemente – ganz im Gegensatz zu den derzeit verwendeten Lithium-Ionen-Batterien.

Unsere Analyselösungen befassen sich mit vielen Fragen der Brennstoffzellenentwicklung und -optimierung, z. B. Polymerstabilität in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), in-situ-Strukturveränderungen in Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) und Katalysatoreffizienz. Insbesondere können unsere Geräte analysieren, wie Platin auf Kohlenstoff als Trägermaterial (Platinmohr), das als Katalysator für die elektrochemischen Reaktionen in Anoden und Kathoden von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen verwendet wird, die Effizienz der Brennstoffzelle beeinflusst. Kritische Parameter, die die Effizienz einer Brennstoffzelle bei einem bestimmten Platingehalt beeinflussen, sind die Platinpartikelgröße, die Kohlenstoffaggregatgröße und die Zusammensetzung der Katalysatortinte, die die Mikro- und Makrostruktur der Katalysatorschicht bestimmt. Die Analyse dieser Faktoren unterstützt Hersteller bei der Entwicklung möglichst effizienter Brennstoffzellen.

Wie kann ich eine hohe spezifische Aktivität in meinem Brennstoffzellen-Katalysator sicherstellen?

Polymerelektrolytbrennstoffzellen sind auf teure Platin-Katalysatoren angewiesen, sowohl für Wasserstoffoxidationsreaktionen als auch für Sauerstoffreduktionsreaktionen. Die Größe der Platinpartikel, die auf einem Kohlenstoffträger dispergiert werden, wirkt sich direkt auf die katalytische Aktivität aus. Kleinere, gut dispergierte Platinpartikel weisen eine größere Oberfläche und somit eine bessere spezifische Aktivität und Protonenumwandlungseffizienz auf als größere Partikel, bei demselben Platingehlat.

Kleinere Partikel können jedoch bei Verwendung der Brennstoffzelle bei erhöhten Temperaturen aufgrund von Koaleszenz durch Kristallmigration oder Wachstum durch modifizierte Oswald-Reifung größer werden, je nach Mikrostruktur der Kohlenstoff-Trägermatrix. Die Mikrostruktur von Kohlenstoffaggregaten spielt zudem eine wichtige Rolle beim effizienten Ionentransport. Folglich spielen die Platinpartikelgröße und die Kohlenstoffaggregatgröße eine wichtige Rolle bei der Optimierung der Katalysatoraktivität von Brennstoffzellelektroden.

Wie kann ich die Platinpartikelgröße messen?

Die Messungen der Kristallitgröße durch Röntgendiffraktion (XRD) können zur Schätzung der Platinpartikelgröße verwendet werden. Dies liegt daran, dass bei Metall-Nanopartikeln, die in der Regel zwischen 1 und 10 nm groß sind, die Kristallitgröße mit hoher Wahrscheinlichkeit der Partikelgröße entspricht. Diese Messung lässt sich mit einem kompakten Diffraktometer wie unserem einfach zu bedienenden Aeris XRD mit hoher Präzision durchführen. Insbesondere kann das Aeris-Diffraktometer für die in-situ-Sinterung verwendet werden, um zu ermitteln, wie Platinpartikel sich abhängig von der Sintertemperatur vergröbern, was eine genauere Analyse der Katalysatoraktivität in Polymerelektrolytbrennstoffzellen ermöglicht.

Eine weitere Methode zur direkten Messung der Platinpartikelgröße ist die Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS). Auf unserer Empyrean XRD-Plattform können entweder die Kleinwinkel-Röntgenstreuung allein oder die Kleinwinkel-Röntgenstreuung und Röntgendiffraktion in Kombination mit in-situ-Sinterung durchgeführt werden, um einen Einblick zu erhalten, wie sich die Platinpartikelgröße und -vergröberung auf die Effizienz der Brennstoffzelle auswirken.

Wie kann ich die Größe von Kohlenstoffaggregaten messen?

Die Kohlenstoffpartikel in Brennstoffzellen-Katalysatoren können zu einer Größe von 0,5 bis 5 µm agglomerieren und dabei ausgeprägte, längliche Formen annehmen. Die Analyse dieser Formen hilft Brennstoffzellenentwicklern, die Effizienz zu maximieren. Zu diesem Zweck ist die Laserbeugung eine zerstörungsfreie Methode, um Partikel dieser Größen zu messen und die Partikelgrößenverteilung in verschiedenen Proben zu vergleichen. Unser Mastersizer 3000 ist der führende Industriestandard für die Partikelgrößenbestimmung durch Laserbeugung. Proben können als Trockenpulver oder dispergiert in Paste gemessen werden.

Eine weitere Methode zur Messung von Kohlenstoffaggregaten ist die dynamische Lichtstreuung (DLS). Bei der DLS wird die Partikelgröße durch Analyse der Brownschen Bewegung von Partikeln gemessen, die in einer Flüssigkeit dispergiert sind. Größere Partikel driften langsam, während kleinere Partikel schneller driften. Die DLS ist sehr genau für den Partikelgrößenbereich zwischen 1 und 1000 nm, in dem Partikel aufgrund der Schwerkraft nicht sedimentieren. Unser Zetasizer ist das perfekte Instrument zur Messung der Kohlenstoffaggregatgröße in Paste per DLS. Der Zetasizer misst nicht nur die Kohlenstoffaggregatgröße, sondern ebenso das Zetapotenzial, um die Tendenz von Partikeln zur Bildung großer Aggregate zu bestimmen.

Wie kann ich die Stabilität von Katalysatortinte messen?

In der Katalysatortinte werden Platinpartikel auf Kohlenstoff als Trägermaterial zusammen mit Ionomeren in einer Flüssigkeit dispergiert und haben in der Regel eine Oberflächenladung. Die Agglomeration dieser Partikel kann zu einer ungleichmäßigen Beschichtung führen, was einen hohen Widerstand beim Ionentransport nach sich zieht. Dies kann analysiert und verhindert werden, indem das Zetapotenzial gemessen wird, das sich auf die Oberflächenladung bezieht. Partikel mit hohem Zetapotenzial (über 30 mV) stoßen sich ab und neigen weniger zur Agglomeration, wodurch stabilere Tinten entstehen. 

Der Zetasizer kann neben der Partikelgröße auch das Zetapotenzial messen. Er eignet sich insbesondere für die Messung elektrisch leitfähiger Proben, z. B. Katalysatortinte, unter Verwendung einer speziellen Zelle, die hochkonzentrierte Proben misst. Dadurch können Hersteller stabilere Tinten und so effizientere Brennstoffzellen entwickeln.

Unsere Lösungen

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