Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Gradierte Aktivschichten auf Basis von Graphenoidschaum-geträgerten Legierungskatalysatoren für NT-PEM-Kathoden (GRA2KAT)

 

Ziel von GRA2KAT ist es, durch ein innovatives Katalysatorkonzept Material- und Produktionskosten von Systemkomponenten für PEM-Brennstoffzellen (PEMFC) deutlich zu senken. Hierzu werden neuartige Brennstoffzellen-Kathoden und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) mit erhöhter Leistung und Stabilität entwickelt. Diese Ziele sollen erreicht werden, indem durch Modifikationen auf atomarer und mikroskopischer Ebene, d.h. unter Verwendung von Legierungskatalysatoren (Pt1Co1-x, Pt1Ni1-x, Pt1Cr1-x) und hierarchisch porösen stickstoffhaltigen Katalysatorträgern (C5N, C3N4) die Aktivität, die elektronische Leitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden. Dadurch kann die Edelmetallbelegung deutlich reduziert werden und die Lebensdauer der Elektrode steigt. Zur Verbesserung der Katalysatorausnutzung und des Sauerstoffmassentransports werden massentransport-optimierte, gradierte Kathoden-Katalysatorschichten entwickelt. Hierzu werden hierarchisch poröse Katalysatorträger eingesetzt und die Elektroden mittels Ultraschallsprühauftrag strukturiert.

Nach dem Erreichen der genannten Projektziele würden sowohl einige im PEMFC-Markt bereits ansässige KMU aus GRA2KAT direkten Nutzen ziehen, als auch andere KMU erst in die Lage versetzt, ihr Produktportfolio auf den PEMFC-Markt auszuweiten. Diese KMU stellen Katalysatoren her oder verarbeiten diese, unter anderem in Nanopartikeldispersionen, oder modifizieren diese mit Hilfe von Plasmabehandlung. Weiterhin führen KMU Entwicklungen auf dem Gebiet der Katalysatorschicht- bis hin zur ganzen MEA-Herstellung inkl. Dichtungssystemen und Randverstärkungen durch. Indirekte Nutzer sind weiterhin die Messgerätehersteller für z.B. Impedanz-Messtechnik (EIS).

Die Zukunftsrelevanz von GRA2KAT wird auch durch PbA-Teilnahme und vAW-Zusagen von namhaften Weltkonzernen unterstrichen, welche in der Regel später als Auftraggeber für KMU eine große Rolle spielen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Gra2Kat-Projekts konnten neuartige N-dotierte Katalysatorträger mit einer hierarchischen Porenstruktur erfolgreich entwickelt werden. Darauf basierend wurden hochaktive Pt-Katalysatoren hergestellt. Die indirekten katalysatorbeschichteten Membranen (iCCMs) wurden hergestellt und in eine PEMFC integriert. Diese Katalysatoren bzw. die daraus hergestellten Katalysatorschichten wurden sowohl für den Einsatz als Anoden als auch als Kathoden der PEMFC optimiert. Mit einem auf N-dotierten Vulcan XC72R basierenden Katalysator konnten im Vergleich zum HiSPEC4000 (Pt/Vulcan XC72R) geringfügig Kathoden- und Anoden-Leistung bei einer höheren Alterungsbeständigkeit erreicht werden. Es konnte anhand der Ergebnisse der erzielten Ex- und In-situ Messungen aufgezeigt werden, dass die im Rahmen dieses Projekts entwickelten Kohlenstoff-Katalysatorträger eine höhere Elektronenleitfähigkeit, eine verringerte und gleichmäßigere Pt-Partikelgröße sowie eine optimierte Mikroporosität als die kommerziell verfügbaren Katalysatoren aufweisen. Mittels dieser Katalysatoren konnte die Leistung sowie die Haltbarkeit von sowohl der Anode, als auch der Kathode der PEMFC gesteigert werden. Dementsprechend konnte das zentrale Anliegen dieses Projekts, die Entwicklung optimierter Katalysatorträger bzw. geträgerter Pt-Katalysatoren erfolgreich bearbeitet werden. Damit insbesondere KMU die PEMFC bzw. Komponenten für die PEMFC erfolgreich am Markt platzieren können, sind zielgerichtete Entwicklungen erforderlich. Dazu ist ein grundlegendes Verständnis des Aufbaus der Katalysatoren und Schichten notwendig. Im Rahmen des Gra2Kat-Projekts konnten Hintergrundinformationen sowie Ansätze zur zielgerichteten Entwicklung derartiger Produkte bereitgestellt werden. Deshalb sind sowohl die technischen als auch die wirtschaftlichen Erfolgsaussichten einer industriellen Umsetzung der Forschungs- und Entwicklungsergebnisse nach dem erfolgreichen Projektabschluss sehr gut.