Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung einer neuen Materialklasse von hochstabilen Elektrokatalysatoren für Kathoden von PEM‐Brennstoffzellen (PEMFC) auf Basis von lasergenerierten Materialien

Ein zentrales Problem bei der Elektrokatalyse in PEM-Brennstoffzellen sind die kostenintensiven, edelmetallhaltigen Materialien sowie der korrosionsanfällige Kohlenstoffträger, der während des Betriebs nicht stabil genug ist und so die Brennstoffzelle kontinuierlich an Leistung verliert.

Um dieser Problematik entgegenzuwirken, wird im Rahmen dieses Vorhabens eine neuartige Materialklasse von elektrochemisch stabilen und gleichzeitig hochaktiven Elektrokatalysatoren mit geringem Edelmetalleinsatz in der Elektrode entwickelt. Hierbei werden vor allem für die anspruchsvolle Kathodenreaktion (ORR) hochreine Legierungsnanopartikel in der als ideal erkannten Partikelgröße (ca. 4 nm) über gepulste Laserablation in Flüssigkeiten erzeugt und anschließend auf hochstabile, hartstoffbasierte Substrate als Trägerkomponenten (TiB2, TiN, TiC, B4C, ca. 30 - 100 nm) aufgebracht. Neu ist -neben dem Einsatz von Laserverfahren an sich- einerseits die Größenreduktion der Substrate und damit die Herangehensweise zur Herstellung dieser Materialien in bisher nicht vorhandenen Partikelgrößen, sowie andererseits die Verwendung dieser neuartigen laserbasierten Materialien in Brennstoffzellen.

Nach Herstellung stabiler Katalysatordispersionen auf Basis der neuen Materialien werden diese zu strukturell angepassten Kathoden-Katalysatorschichten verarbeitet, die eine sehr hohe Ausnutzung des eingesetzten Platins erlauben. Anschließend werden die elektrochemischen Eigenschaften sowohl der neuartigen Katalysatoren als auch der Katalysatorschichten im Vergleich mit Referenzmaterialien aufgeklärt.

Diese Entwicklung einer neuartigen Materialklasse von Elektrokatalysatoren kommt vor allem kmUs oder neu zu gründenden Unternehmen zu Gute, da durch sie meist eine schnelle Kommerzialisierung radikaler technologischer Fortschritte erfolgen kann und sie somit einen wichtigen Transferkanal für eine zeitnahe Vermarktung neuer Produkte darstellen.

Das angestrebte Forschungsziel ist auch bedeutend in Hinsicht auf Ressourceneffizienz und Klima/Energie.

Ergebniszusammenfassung:

Die im Projekt mittels Laserablation hergestellten, leistungsstarken Pt/C-PEMFC-Katalysatoren zeigen eine den kommerziellen Referenzen überlegene Beständigkeit gegenüber elektrochemischer Alterung. Die unzureichende Alterungsstabilität herkömmlicher Katalysatoren stellt derzeit eine zentrale Hürde auf dem PEMFC-Gebiet dar. Die erzielten Ergebnisse leisten somit einen großen Beitrag hinsichtlich beständigerer Katalysatoren. Eine Reduktion der Pt-Menge bei gleichbleibender oder gesteigerter Aktivität durch Einsatz von PtNi- bzw. PtW-Legierungsnanopartikel konnte hingegen nicht erzielt werden. Jedoch zeigte sich hier das große Potential, ein kostengünstiges Screening hinsichtlich der Materialzusammensetzung im Rahmen der PEMFC-Forschung mittels Laserablation zu realisieren. Die lasergenerierten NP konnten zudem quantitativ auf verschiedenen Trägern abgeschieden werden, was erstmals zur Herstellung funktionsfähiger Hartstoff-basierter PEMFC-Katalysatoren führte. Diese zeigten durchaus signifikante Aktivität jedoch keine gesteigerte Alterungsstabilität. Die erzielten Ergebnisse dienen somit als Ausgangspunkt für weitere FuE hinsichtlich neuartiger, beständiger NP-Träger-Systeme für die PEMFC. Die Kombination aus hoher NP-Produktivität (1 - 2 g/h), großer Flexibilität hinsichtlich Material und Zusammensetzung, sowie die Abscheidbarkeit auf diversen Trägern eröffnet KMU neue Möglichkeiten im Bereich der eigenständigen Katalysator-Forschung, was perspektivisch eine große Bandbreite neuartiger Nanopartikel-Träger-Systeme für die PEMFC ermöglicht. Weiterhin konnte durch die Laserfragmentierung der Hartstoffe (TiC, TiC(N)) eine signifikante Partikelzerkleinerung bei einer Fragmentierungsschwelle von 1 µm erzielt werden. Somit wurde ein neues Verfahren zur Partikelgrößenreduktion der sonst schwer zu zerkleinernden Hartstoffe entwickelt. Zur Reduktion der Fragmentierungsschwelle sowie weiterer Steigerung der spez. Oberflächen gilt es zukünftig Hochleistungslaser zu erproben.