Entwicklung einer Hochleistungsmembran-Elektrodeneinheit für Hochtemperatur-Polymermembran-Brennstoffzellen unter Verwendung eines modernen Pt-Legierungskatalysators und phosphonierter Ionomere

• Antragsteller: Dr. Vladimir Atanasov
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566957848

Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) werden als emissionsfreie Systeme für Fahrzeuge eingesetzt. Ihre niedrige Betriebstemperatur, schnelle Reaktionsgeschwindigkeit und hohe Leistungsdichte bieten zwar erhebliche Vorteile, stellen aber gleichzeitig Herausforderungen dar, wie z. B. Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung und dem Wassermanagement, die den Hochleistungsbetrieb einschränken. Ein Betrieb bei höheren Temperaturen kann diese Probleme abmildern. Allerdings leiden Hochtemperatur-PEMFCs (HT-PEMFCs) mit phosphorsäuredotierten Polybenzimidazol (PA-PBI)-Membranen – dem aktuellen Standard für PA-dotierte HT-PEMFCs – unter Phosphorsäureverlust, was zu einer reduzierten Leistung und Haltbarkeit führt. Eine aktuelle Studie zeigte, dass die Integration von phosphonierten Ionomeren und Ion-Paar-Membranen in Brennstoffzellen die Phosphorsäurerückhaltung und -stabilität verbessert und somit die Leistung steigert. Trotz dieser Fortschritte bleibt die hohe Platinbeladung (1 mg/cm²) eine Herausforderung. Das U.S. Department of Energy (DOE) hat das Ziel, diesen Wert auf 0,125 mg/cm² für Pkw und 0,3 mg/cm² für Nutzfahrzeuge zu senken. Fortschrittliche Platinlegierungen wie PtCo und PtNi zeigen nicht nur eine vielversprechende Widerstandsfähigkeit gegenüber Phosphorsäurevergiftung, sondern ermöglichen auch eine Reduzierung des Platingehalts in der Elektrode. Allerdings müssen Herausforderungen wie Metallauflösung noch bewältigt werden. Dieses gemeinsame Forschungsprojekt zielt darauf ab, hochbeständige und hochaktive Platinlegierungskatalysatoren mit verbesserter Phosphorsäuretoleranz für HT-PEMFCs zu entwickeln. Darüber hinaus liegt der Fokus auf der Gestaltung von Elektrodenstrukturen, die mit phosphonierten Ionomeren und Ion-Paar-Elektrolytmembranmaterialien kompatibel sind, um leistungsstarke Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) zu fertigen. Die Universität Stuttgart wird phosphonierte Ionomere und Ion-Paar-Membranen synthetisieren und charakterisieren, um deren Funktionalität und Stabilität zu optimieren. Gleichzeitig wird das Gwangju Institute of Science and Technology an der Entwicklung von Platinlegierungskatalysatoren, der Gestaltung von Kohlenstoffträgern und der Herstellung intermetallischer Katalysatoren arbeiten, um die Stabilität zu verbessern und den Platinverbrauch zu senken. Das Projekt wird die MEAs durch die Integration von Ion-Paar-Membranen mit fortschrittlichen Katalysatorschichten optimieren. Zu den wichtigsten Innovationen gehören die Optimierung der Ionomere für verbesserte Elektrodeninteraktionen sowie die Entwicklung hochentropischer Platinlegierungskatalysatoren zur Leistungssteigerung. Eine umfassende Bewertung der Katalysatorabbau-Mechanismen und der MEA-Haltbarkeit wird die langfristige Stabilität sicherstellen.Diese Zusammenarbeit soll effizientere und kostengünstigere HT-PEMFCs ermöglichen und damit zur Weiterentwicklung sauberer Energietechnologien beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südkorea
• Partnerorganisation: National Research Foundation of Korea, NRF
• Kooperationspartner: Professor Dr. Chanho Pak