Membran-Elektroden-Einheit (MEA) für Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen auf Basis von Polymer/Ionischer Flüssigkeit-Kompositen
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zwei neue Protische Ionische Flüssigkeiten (PILs) wurden synthetisiert: Diethylmethylammonium-bis(trifluormethansulfonyl)imid, [DEMA][NTf2], und Dihydrogen tetramethylguanidinium-bis(trifluormethansulfonyl)imid, [HHTMG][NTf2]. Aufgrund des fluorierten Anions sind sie wasserstabil und hydrophob. Diese PILs wurden in Polybenzimidazol (PBI) -Matrices eingeschlossen. „Quasi-solidified ionic liquid membranes“ (QSILMs) wurden hergestellt (PIL in der geschlossenen Porosität von PBI und damit immobilisiert) und auf mechanische und thermische Stabilität untersucht. Nach dem Dotieren mit Phosphorsäure (PA) zeigten die QSILMs Leitfähigkeiten von 30-60 mS cm^-1 bei 180ºC. Fluoreszenzmikroskopie wurde verwendet, um die Struktur der zusammengesetzten PBI-Membranen zu untersuchen. Membran-Elektroden-Anordnungen, hergestellt mit PA-dotierten QSILMs, wurden in einer Brennstoffzelle (Einzelzelle) getestet und zeigten eine Leistungssteigerung mit steigender Temperatur bis zu 200° C. Die beste Leistung wurde für die Membranelektrodenanordnung erhalten, die 50 Mol-% Diethylmethylammonium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid enthielt, das in der mit Phosphorsäure dotierten PBI-Matrix mit geschlossener Porosität eingeschlossen war. Es wurden 0,32 W·cm^-2 bei 200ºC und 900 mA·cm^-2 erreicht. Die Katalysatorschicht der mit protischer ionischer Flüssigkeit imprägnierten Gasdiffusionselektrode zeigte eine bessere Langzeitstabilität bei 100 h Betrieb bei 200° C und ohne Befeuchtung als die mit Phosphorsäure imprägnierte Gasdiffusionselektrode. Einer wirtschaftlichen Verwertbarkeit der Ergebnisse steht derzeit der hohe Preis der Ionischen Flüssigkeit entgegen; wie sich der Preis dieser neuen Ionischen Flüssigkeit entwickeln würde, falls größere Mengen produziert würden (economy of scale), ist nicht vorhersehbar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Transport properties of protic and aprotic guanidinium ionic liquids, RSC Advances 8, 41639-41650 (2018)
D. Rauber, F. Philippi, J. Zapp, G. Kickelbick, H. Natter & R. Hempelmann
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Protic Ionic Liquids immobilized in phosphoric acid-doped polybenzimidazole matrix enable Polymer Electrolyte Fuel Cell operation at 200 °C, J. Membrane Science 2020
G. Skorikova, D. Rauber, D. Aili, S.Martin, Q. Li, D. Henkensmeier & R. Hempelmann
