- Was versteht man unter dem Begriff Katalysatorträger im Zusammenhang mit Brennstoffzellen?
- Welche Funktion hat der Katalysatorträger in Brennstoffzellen?
- Welche Materialien werden üblicherweise als Katalysatorträger in Brennstoffzellen verwendet?
- Auf welche Weise kann ein hochwertiger Katalysatorträger die Leistung von Brennstoffzellen verbessern?
- Ist das in einer Brennstoffzelle verwendete Material für die Gesamtleistung der Zelle relevant?
- Welchen Einfluss hat der Katalysatorträger auf die Haltbarkeit und Lebensdauer von Brennstoffzellen?
- Wie kann der Katalysatorträger die Kosteneffizienz von Brennstoffzellen beeinflussen?
- Wie wirken Katalysatoren und Katalysatorträger in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen zusammen?
- Welche Beziehung besteht zwischen dem Katalysator, dem Träger und dem Brennstoff in einer Brennstoffzelle?
- Was sind einige der Herausforderungen bei der Optimierung des Katalysatorträgers für Brennstoffzellen?
- Wie können mesoporöse Katalysatorträger die Leistung von Brennstoffzellen verbessern?
- Welche Rolle spielt der Katalysatorträger bei der Verringerung der Kohlenstoffkorrosion in Brennstoffzellen?
- Was versteht man unter dem Begriff Katalysatorträger im Zusammenhang mit Brennstoffzellen? Welche Funktion hat der Katalysatorträger in Brennstoffzellen?
- Welche Materialien werden üblicherweise als Katalysatorträger in Brennstoffzellen verwendet? Welche Bedeutung hat das in einer Brennstoffzelle verwendete Material für ihre Gesamtleistung und Lebensdauer?
- Was sind einige der Herausforderungen bei der Optimierung des Katalysatorträgers für Brennstoffzellen?
- Wie können mesoporöse Katalysatorträger die Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen verbessern?
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Was versteht man unter dem Begriff Katalysatorträger im Zusammenhang mit Brennstoffzellen?
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) besteht aus mehreren Komponenten, darunter Bipolarplatten, Dichtungen und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Die MEA ist das Kernstück, das Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) in Strom umwandelt, der für den Antrieb von Elektrofahrzeugen oder für stationäre Stromquellen verwendet werden kann. Eine MEA besteht aus Gasdiffusionsschichten mit oder ohne mikroporöse Schichten, zwei Katalysatorschichten und einer Protonenaustauschmembran als Separator. Eine Katalysatorschicht besteht in der Regel aus Platin (Pt) mit Kohlenstoffmaterialien als Katalysatorträger, und eine Katalysatorschicht ist der Ort, an dem elektrochemische Reaktionen zur Stromerzeugung stattfinden. Kurz gesagt, der Träger der Katalysatorschicht in Brennstoffzellen, bei dem es sich meist um Kohlenstoff handelt, ist ein leitfähiges Material mit großer Oberfläche und niedrigen Kosten, das die Pt-Nanopartikel trägt, die die Schlüsselreaktionen an der Anode und der Kathode katalysieren.
Welche Funktion hat der Katalysatorträger in Brennstoffzellen?
Der Katalysatorträger bietet die Oberflächenstellen, an denen sich die katalytischen Nanopartikel (z. B. Pt) anlagern können, und dient gleichzeitig als Träger für das ionenleitende Ionomer. Der Träger bietet auch Wege für den Elektronentransport und muss daher leitend sein und eine hervorragende Teilchen-zu-Teilchen-Verbindung aufweisen, während sich die Reaktionsgase um und durch das Kohlenstoffträgermaterial bewegen. Der Katalysatorträger spielt eine entscheidende Rolle bei der Erzielung von Leistung und Haltbarkeit der PEM-Brennstoffzelle.
Welche Materialien werden üblicherweise als Katalysatorträger in Brennstoffzellen verwendet?
Es gibt viele Katalysatoren, die in Brennstoffzellen verwendet werden, aber Kohlenstoffpulver mit großer Oberfläche (z. B. Ruß) werden am häufigsten als Katalysatorträger in PEM-Brennstoffzellen eingesetzt.
Beispiel: Nanoporous Carbon Powder
Auf welche Weise kann ein hochwertiger Katalysatorträger die Leistung von Brennstoffzellen verbessern?
Die Struktur des Kohlenstoffträgers spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Größe der Katalysatorteilchen, ihrer Dispersion und ihrer Wechselwirkung mit dem Ionomer sowie der Haltbarkeit des Katalysators. Die stabileren Kohlenstoffträger, die am stärksten mit den Katalysator-Nanopartikeln interagieren, können die Mobilität des Katalysators und die Agglomeration der Nanopartikel verhindern, wodurch der daraus resultierende Oberflächenverlust minimiert und die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert wird. Mesoporöse Kohlenstoffe mit großer Oberfläche ermöglichen es den katalytischen Pt-Nanopartikeln, sich besser zu verteilen und dem Wachstum und der Agglomeration zu widerstehen. Die Struktur der mesoporösen Kohlenstoffmaterialien kann auch so gestaltet werden, dass eine Vergiftung der Oberflächen der Pt-Nanopartikel durch Ionomere verhindert wird, wodurch die Ausnutzung des Katalysators und die Massenaktivität und Leistung verbessert werden.
Ist das in einer Brennstoffzelle verwendete Material für die Gesamtleistung der Zelle relevant?
Ja. Die Katalysatorschicht hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistung einer Brennstoffzelle. Die Wahl des Kohlenstoffträgers spielt dabei eine wichtige Rolle, denn sie beeinflusst die katalytische Aktivität, die Haltbarkeit, die Reproduzierbarkeit und die Kosteneffizienz einer Brennstoffzelle.
Welchen Einfluss hat der Katalysatorträger auf die Haltbarkeit und Lebensdauer von Brennstoffzellen?
Ein guter Katalysatorträger verleiht dem Katalysator mechanische Stabilität, verhindert Auflösung, Ablösung, Partikelagglomeration und Ionomer-Vergiftung und kann so zu einer deutlich verbesserten Haltbarkeit führen. Ein stabiler Katalysatorträger hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit und führt somit zu einer längeren Lebensdauer in einer Brennstoffzelle. Ein Katalysatorträger, der die gewünschte poröse Struktur aufweist oder starke Wechselwirkungen mit dem Katalysator selbst hat, kann die katalytischen Nanopartikel vor Auflösung, Ablösung und Agglomeration schützen und so die Lebensdauer des Katalysators in einer Brennstoffzelle weiter verbessern.
Wie kann der Katalysatorträger die Kosteneffizienz von Brennstoffzellen beeinflussen?
Ein guter Katalysatorträger kann die Nutzung des Katalysators verbessern, insbesondere bei Edelmetallkatalysatoren wie Pt. Daher wird weniger Katalysatormaterial benötigt, was die Herstellungskosten senkt. Ein gut gewählter Katalysator erhöht auch die Lebensdauer, was zur Senkung der Betriebskosten für die Endnutzer beiträgt.
Wie wirken Katalysatoren und Katalysatorträger in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen zusammen?
Katalysatorträger bieten eine Struktur zur Verankerung der Katalysatormaterialien und ermöglichen gleichzeitig eine gleichmäßige Verteilung der Katalysatormaterialien über eine große Oberfläche, wodurch sich die Anzahl der reaktiven Stellen insgesamt erhöht und somit eine höhere katalytische Aktivität erzielt wird. Hohe Porosität und geringe Tortuosität des Trägers verbessern auch den Massentransport der Reaktanten (Wasserstoff und Sauerstoff) und führen zu einer hohen Ausnutzung des Katalysatormaterials bei gleichzeitiger Verringerung des Massentransportwiderstands. Mesoporöse Kohlenstoffträger haben auch das Potenzial, den Katalysator, insbesondere Pt-Nanopartikel, vor Agglomeration, Oberflächenverlust und Vergiftung durch das Ionomer zu schützen und damit die Aktivität und Stabilität des Katalysators weiter zu erhöhen.
Welche Beziehung besteht zwischen dem Katalysator, dem Träger und dem Brennstoff in einer Brennstoffzelle?
Der Katalysator beschleunigt die elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle und erleichtert die Umwandlung von Brennstoff (in der Regel Wasserstoff) und Oxidationsmittel (in der Regel Sauerstoff aus der Luft) in Strom und Wasser. Der Katalysatorträger erhöht die Wirksamkeit des Katalysators, indem er Stabilität, eine große Oberfläche und elektrische Leitfähigkeit bietet.
Was sind einige der Herausforderungen bei der Optimierung des Katalysatorträgers für Brennstoffzellen?
Ein wesentliches Ziel bei der Entwicklung eines guten Katalysatorträgers ist es, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu erhöhen, ohne die Aktivität des Katalysators zu beeinträchtigen. Graphitierte Kohlenstoffe weisen eine geringere Kohlenstoffkorrosion auf, haben aber auch eine geringere Oberfläche als nicht graphitierte Träger und leiden daher unter einer unzureichenden Dispersion und Stabilität des Katalysators. Nicht graphitierte Kohlenstoffe haben auch mehr intrinsische Oberflächendefekte, die zur Verankerung der katalytischen Nanopartikel beitragen.
Wie können mesoporöse Katalysatorträger die Leistung von Brennstoffzellen verbessern?
Mesoporen sind Poren mit einem Durchmesser von 2 bis 50 nm. Mesoporöse Kohlenstoffe bieten kleine Mesoporen, die noch groß genug sind, um die Verankerung der Pt-Nanopartikel (des Katalysators) zu ermöglichen, während gleichzeitig verhindert wird, dass Ionomer in die Poren eindringt. Dadurch kann der Katalysator vor einer Ionomervergiftung geschützt werden. Mesoporen können auch vor Katalysatorverlusten schützen, die durch die Ablösung von Teilchen entstehen, und gleichzeitig dazu beitragen, die katalytischen Nanopartikel einzuschließen und vor weiterer Agglomeration zu stabilisieren. Dies wiederum führt zu einer verbesserten Lebensdauer der Brennstoffzelle.
Welche Rolle spielt der Katalysatorträger bei der Verringerung der Kohlenstoffkorrosion in Brennstoffzellen?
Graphitierter Kohlenstoff hat im Vergleich zu nicht graphitiertem Kohlenstoff einen geringeren Sauerstoffgehalt und ist daher weniger anfällig für Kohlenstoffkorrosion während des Brennstoffzellenbetriebs. Die Graphitierung schwächt jedoch die Bindung zwischen Pt-Nanopartikeln und Kohlenstoff, wodurch Pt anfälliger für Korrosion wird.
Was versteht man unter dem Begriff Katalysatorträger im Zusammenhang mit Brennstoffzellen? Welche Funktion hat der Katalysatorträger in Brennstoffzellen?
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM) ist eine Art Wasserstoff-Brennstoffzelle, die durch elektrochemische Reaktionen von Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) Strom erzeugt und bei 50-80 °C arbeitet. Da die elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle langsam ablaufen, wird ein Katalysator eingesetzt, um die elektrochemischen Reaktionen zu beschleunigen und die Umwandlung von Brennstoff (Wasserstoff) und Oxidationsmittel (Sauerstoff aus der Luft) in Strom und Wasser zu erleichtern. Platin (Pt) ist der bekannteste Katalysator für PEM-Brennstoffzellen. Allerdings behindern der hohe Preis und die Knappheit von Pt die breite Anwendung von PEM-Brennstoffzellen. Daher ist es wichtig, die Pt-Menge zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Brennstoffzellenleistung und -lebensdauer beizubehalten, um Brennstoffzellenanwendungen wirtschaftlicher zu machen. Kohlenstoffmaterialien werden daher als Katalysatorträger eingesetzt, um die Nutzung des Katalysators in einer Brennstoffzelle zu verbessern. Der Katalysatorträger bietet Ladestellen für katalytische Nanopartikel (z. B. Pt) und Wege für die Übertragung von Elektronen und Reaktionsgasen. Der Katalysatorträger erhöht die Wirksamkeit des Katalysators, indem er Stabilität, eine große Oberfläche und elektrische Leitfähigkeit bietet. Der Katalysatorträger spielt also eine entscheidende Rolle für die Leistung und Haltbarkeit von PEM-Brennstoffzellen.
Welche Materialien werden üblicherweise als Katalysatorträger in Brennstoffzellen verwendet? Welche Bedeutung hat das in einer Brennstoffzelle verwendete Material für ihre Gesamtleistung und Lebensdauer?
Die gebräuchlichsten Katalysatorträger, die im Handel erhältlich sind, sind Ruß, z. B. Vulcan-Kohle und Ketjen-Kohle, die eine große Oberfläche haben, reichlich vorhanden sind und wenig kosten. Sie bieten eine Struktur zur Verankerung der Katalysatormaterialien, die es den Katalysatormaterialien ermöglicht, sich auf einer großen Oberfläche zu verteilen, was zu einer Vergrößerung der reaktiven Stellen und damit zu einer höheren katalytischen Aktivität führt.
Heutzutage wird eine Katalysatorschicht in einer PEM-Brennstoffzelle in der Regel durch Mischen des katalysatorbeladenen Rußes (z. B. Pt/C) mit dem Ionomer hergestellt, das als Bindemittel und Protonentransportweg dient. Die Katalysatorschicht hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistung einer Brennstoffzelle. Die Wahl des Kohlenstoffträgers wirkt sich auf die katalytische Aktivität, Haltbarkeit, Reproduzierbarkeit und Kosteneffizienz einer Brennstoffzelle aus. Ein guter Katalysatorträger verleiht dem Katalysator mechanische Stabilität, verhindert das Auflösen, Ablösen und Verklumpen und führt so zu einer besseren Haltbarkeit.
Ein guter Katalysatorträger kann die Nutzung des Katalysators, insbesondere des Edelmetallkatalysators wie Pt, verbessern. Daher wird weniger Katalysatormaterial benötigt, was die Herstellungskosten senkt. Ein gut gewählter Katalysatorträger erhöht auch die Lebensdauer, was zur Senkung der Betriebskosten für die Endnutzer beiträgt. Ein stabiler Katalysatorträger hat eine bessere Korrosionsbeständigkeit und führt somit zu einer längeren Lebensdauer in einer Brennstoffzelle. Der Katalysatorträger, der eine wünschenswerte poröse Struktur oder eine starke Wechselwirkung mit dem Katalysator aufweist, könnte die Katalysator-Nanopartikel vor Auflösung, Ablösung und Agglomeration schützen und so die Lebensdauer des Katalysators in einer Brennstoffzelle weiter verbessern.
Was sind einige der Herausforderungen bei der Optimierung des Katalysatorträgers für Brennstoffzellen?
Die herkömmliche Katalysatorschicht aus platinbeladenem Ruß stellt eine Herausforderung für die langfristige Stabilität und Flexibilität von PEM-Brennstoffzellen unter verschiedenen Bedingungen dar. Carbon Blacks sind Partikel mit Durchmessern von einigen zehn bis einigen hundert Nanometern. Pt-Nanopartikel lagern sich in der Regel auf der Oberfläche der Kohlenstoffpartikel ab, ähnlich wie Glitzer auf einem Cake Pop. Während des Betriebs der Brennstoffzelle sind die Pt-Partikel und die Kohlenstoffpartikel verschiedenen Formen des Abbaus unterworfen. Pt-Partikel können sich leicht von der Kohlenstoffoberfläche lösen und ihre Aktivität verlieren. Einige Pt-Partikel aggregieren zu größeren Partikeln, was zu einer Verringerung der Pt-Oberfläche und einer geringeren Aktivität führt. Die willkürliche Stapelung von Rußpartikeln führt zu instabilen Kanälen innerhalb der Katalysatorschicht, die anfällig für Veränderungen des Drucks und der relativen Luftfeuchtigkeit sind, was zu einer instabilen Zellleistung führt.
Das Ziel der Entwicklung eines guten Katalysatorträgers ist es, die Haltbarkeit zu erhöhen, ohne die Aktivität des Katalysators zu beeinträchtigen. Die Struktur des Kohlenstoffträgers spielt eine entscheidende Rolle für die Größe der Katalysatorteilchen, die Dispersion und die Wechselwirkung mit dem Ionomer sowie für die Haltbarkeit des Katalysators. Stabilere Träger, die stärker mit den Katalysatorteilchen interagieren, können die Mobilität des Katalysators hemmen und die Lebensdauer der Brennstoffzelle erheblich verlängern. Graphitierte Kohlenstoffe haben eine geringere Kohlenstoffkorrosion gezeigt, aber sie haben eine geringere Oberfläche als nicht graphitierte Träger und leiden daher unter einer unzureichenden Katalysatordispersion und -stabilität.
Wie können mesoporöse Katalysatorträger die Leistung und Lebensdauer von Brennstoffzellen verbessern?
Mesoporöser Kohlenstoff mit großer Oberfläche ist ein Kohlenstoffmaterial mit Porengrößen zwischen 2 und 50 Nanometern. Mesoporöser Kohlenstoff bietet kleine Poren, in denen sich der Katalysator verankern und gut verteilen kann. Außerdem kann er die Vergiftung des Katalysators durch Ionomere verhindern, was die Auslastung des Katalysators erhöht und die Massenaktivität und Leistung verbessert.
Das nanoporöse Kohlenstoffpulver (NCP SupportsTM) ist ein mesoporöses Kohlenstoffmaterial mit einer dreidimensionalen, vernetzten Struktur und kontrollierbaren Porengrößen. Seine hohe Porosität und geringe Tortuosität verbessern den Massentransport der Reaktanten (Wasserstoff und Sauerstoff) und führen zu einer hohen Ausnutzung des Katalysatormaterials bei gleichzeitiger Verringerung des Massentransportwiderstands.
Anders als der Glitzer auf einem Cake Pop ist Pt loaded within (NCP SupportsTM) wie Bienen in einer Honigwabe. Die Mesoporen schützen den Katalysator vor Ablösung und sorgen für einen gewissen Einschluss, der eine weitere Aggregation verhindert, was zu einer längeren Lebensdauer der Brennstoffzelle führt. Mesoporen könnten auch den Katalysator, insbesondere Pt, vor Vergiftungen durch Ionomere schützen, was die Aktivität und Stabilität des Katalysators weiter erhöht. Darüber hinaus können die (NCP SupportsTM) den Massentransport von Reaktanten und Produkten zur und von der Katalysatoroberfläche verbessern, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sowie die Gesamtleistung und Langlebigkeit des Katalysators erhöht.
Graphitierter Kohlenstoff hat im Vergleich zu nicht graphitiertem Kohlenstoff einen geringeren Sauerstoffgehalt und ist daher weniger anfällig für Kohlenstoffkorrosion aufgrund von Oxidationsreaktionen während des Brennstoffzellenbetriebs. Die (NCP SupportsTM) können wärmebehandelt und sogar noch weiter graphitiert werden, um ihre Kohlenstoffkorrosionsbeständigkeit für eine höhere Haltbarkeit zu verbessern.
Inhaltbeigetragen von Momentum Materials Solutions
Momentum Materials Solutions hat neuartige nanoporöse Kohlenstoffpulverprodukte entwickelt, die die Leistung von PEMFC-Katalysatoren und MEAs verbessern und deren Lebensdauer mehr als verdoppeln. Das Unternehmen hat seinen Sitz in Calgary, Kanada, und bietet eine breite Palette von Materialien für den weltweiten Versand an. Sie bieten der Wasserstoffwirtschaft fortschrittliche Materialien zur Verbesserung der MEA-Leistung und zur Verdoppelung der Betriebslebensdauer von Brennstoffzellen.
Letzte Aktualisierung: 15.02.2024