- Welche Funktion hat ein Brennstoffzellen Katalysator?
- Was sind die Merkmale eines Katalysators, der in einer Brennstoffzelle verwendet wird?
- Was sind Beispiele für verschiedene Katalysatoren, die in Brennstoffzellen verwendet werden?
- Was bedeutet Katalysatorbelastung?
- Welche Faktoren beeinflussen die Leistung von Brennstoffzellen Katalysator?
- Wie kann ein Katalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen versagen?
- Was sind die verschiedenen Methoden zur Analyse der potenziellen Lebensdauer eines Brennstoffzellenkatalysators?
- Liste bestimmter Lieferanten eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Katalysators
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Welche Funktion hat ein Brennstoffzellen Katalysator?
Ein Brennstoffzellen Katalysator ist ein Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer chemischen Reaktion erhöht, ohne selbst eine dauerhafte chemische Veränderung zu erfahren. Dieser Vorgang wird als Katalyse bezeichnet. Ein Wasserstoff-Brennstoffzellen Katalysator erleichtert die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff (d.h. dem Brennstoff). Brennstoffzellenkatalysatoren sind in der Regel porös und rau, um den Reaktionspartnern Sauerstoff und Wasserstoff mehr Oberfläche zu bieten. Die Katalysatorschichten gehören zu den wichtigsten Teilen in der Brennstoffzelle, da auf ihrer Oberfläche die chemische Reaktion stattfindet. Je größer die verfügbare Oberfläche ist, desto höher ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Diese porösen Katalysatorschichten können durch Pyrolyse hergestellt werden, bei der die Ausgangsstoffe in einer geeigneten Umgebung über ihre Zersetzungstemperatur erhitzt werden.
Verschiedene Arten von Wasserstoffkatalysatoren werden in unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen verwendet. Die Katalysatoren gehören zu den wichtigsten kostenbestimmenden Faktoren bei der Herstellung und Anwendung von Brennstoffzellen. Außerdem können sie anfällig für bestimmte Gase oder andere Stoffe sein, denen die Brennstoffzelle ausgesetzt ist, so dass zusätzliche Maßnahmen erforderlich sein können, um den Katalysator vor Zersetzung oder nachteiliger Verformung zu schützen.
Was sind die Merkmale eines Katalysators, der in einer Brennstoffzelle verwendet wird?
- Wasserstoff-Brennstoffzellen Katalysator verändert sich während der chemischen Reaktion, die er beschleunigt, nicht.
- Wasserstoff-Brennstoffzellen Katalysator hilft, die Moleküle in Protonen und Elektronen aufzuspalten.
- Es wird nur eine geringe Menge eines Katalysators benötigt.
- Katalysatoren verändern die Gleichgewichtskonstante der Reaktion nicht.
- Der Katalysator macht keine unmöglichen Reaktionen möglich und startet die Reaktion nicht.
- Der Katalysator zeigt seine maximale Aktivität bei einer bestimmten Temperatur, die als seine optimale Temperatur bezeichnet wird.
Was sind Beispiele für verschiedene Katalysatoren, die in Brennstoffzellen verwendet werden?
- PEM-Brennstoffzellen katalysator – In einer PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane) werden inerte Seltenerdmetalle als Katalysatoren verwendet. Platin ist das am häufigsten verwendete Katalysatormaterial und seine Verwendung war einer der kostenbestimmenden Faktoren für die Herstellung und Anwendung von PEM-Brennstoffzellen. Platin als Katalysator ist jedoch anfällig für die Zersetzung in Gegenwart von Kohlenmonoxid, so dass die Menge des katalytischen Materials, das zur Beschleunigung der Reaktion in der Brennstoffzelle zur Verfügung steht, dauerhaft reduziert wird, wenn es diesem Gas ausgesetzt wird. Dies wird als Brennstoffzellenvergiftung bezeichnet und ist ein bekanntes Risiko für Brennstoffsysteme. Jüngste Entwicklungen, bei denen andere Materialien wie Molybdänkarbid in die Membranstruktur eingebracht oder ein zusätzlicher Reaktor eingesetzt wurde, haben zu einer erheblichen Verringerung dieses Risikos geführt.
- Katalysatoren für alkalische Brennstoffzellen – In alkalischen Brennstoffzellen (AFC) werden Nichtedelmetalle als katalytisches Material verwendet. Diese Metalle sind in der Regel Nickel, poröses Nickel und Nickellegierungen.
- PAFC-Katalysatoren (Phosphorsäure-Brennstoffzelle) – In einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle wird Platin als Katalysator verwendet. Die wirtschaftlichen Auswirkungen der Verwendung dieses Katalysators ähneln denen, die oben für PEM-Brennstoffzellen beschrieben wurden.
- MCFC-Katalysatoren (Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen) – Anode und Kathode bestehen in Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen aus Nickel. Das Nickel auf der Anode und der Kathode sorgt bei diesem Brennstoffzellentyp für katalytische Eigenschaften. Die hohe Arbeitstemperatur macht den Einsatz eines Edelmetallkatalysators überflüssig.
- SOFC-Katalysator – Nickel ist der Katalysator, der die Reaktion in Festoxid-Brennstoffzellen beschleunigt. Dieser Katalysator muss auch vor dem Abbau durch Schwefel und vor der Vergröberung (Granulatbildung) geschützt werden, da dies die für die Beschleunigung der Reaktion verfügbare Oberfläche verringert. Um das Wachstum von Nickelgranulat zu vermeiden, wird das Nanomaterial YSZ (Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid) verwendet.
- DMFC-Katalysator (Direktmethanol-Brennstoffzelle) – In Direktmethanol-Brennstoffzellen werden Platin und Ruthenium als Katalysatoren verwendet. Derzeit wird an der Beimischung von Eisen und Nickel zu den Katalysatoren geforscht, um die Kosten und die Leistung dieser Art von Brennstoffzellen weiter zu senken.
- DLFC-Katalysator (Direct Liquid Fuel Fuel Cell) – Bei dieser Art von Brennstoffzelle wird Platin als Hauptkatalysator verwendet. Um eine Kohlenmonoxidvergiftung zu vermeiden, kann ein sekundäres Element wie Ruthenium, Zinn, Wolfram oder Rhenium eingesetzt werden.
Was bedeutet Katalysatorbelastung?
Die Beladung bezieht sich auf den Prozess der Aufbringung des Katalysators auf die Brennstoffzellenmembran oder den Bereich der Interaktion mit den Reaktanten. Dies geschieht in der Regel auf 2 Arten:
- Socken laden
- Dichtes Laden
Effizienzsteigerungen bei der Beladung des Wasserstoff-Brennstoffzellen-Katalysators haben die Kosten von Brennstoffzellen in den letzten 20 Jahren gesenkt. Dies hat dazu beigetragen, die Leistungsdichte und Haltbarkeit der Zellen zu verbessern. Sie hat zum Beispiel auch die effizientere Nutzung von Platin als Katalysator ermöglicht.
Im Jahr 2021 lag die Platinbeladung an der Anode einer PEMFC bei etwa 0,025 mg/cm2, was eine deutliche Verringerung im Vergleich zu etwa 1 mg/cm2 im Jahr 2000 bedeutet. Dadurch sind die Produktionskosten von Brennstoffzellen entsprechend gesunken. Da der Platinpreis zwischen 40 und 60 $/mg liegt, kann dies zu einer Senkung der Herstellungskosten für ein Brennstoffzellen-Straßenfahrzeug um etwa 800 USD führen.
Welche Faktoren beeinflussen die Leistung von Brennstoffzellen Katalysator?
- Sintern/Delegieren von Katalysatoren
- Korrosion des Katalysatorträgers (Substrat)
- Mechanische Belastung
- Verunreinigung
- Veränderung der Hydrophobie der Materialien
Wie kann ein Katalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen versagen?
- Verlust der Aktivierung
- Leitfähigkeitsverlust
- Verringerung der Transportgeschwindigkeit des Reaktanten
- Verlust der Reformattoleranz
- Geringere Kontrolle der Wasserwirtschaft
Was sind die verschiedenen Methoden zur Analyse der potenziellen Lebensdauer eines Brennstoffzellenkatalysators?
- Mögliche Zyklen
- Waschen mit Säure
- Temperaturerhöhung
- Zulässige Kraftstoff-/Oxidationsmittelverunreinigungen
Liste bestimmter Lieferanten eines Wasserstoff-Brennstoffzellen-Katalysators
Diese Hersteller bieten einen Wasserstoff-Brennstoffzellen-Katalysator an:
- 3M
- Amalyst GmbH
- Katalysator Gesellschaft
- Clariant
- ENY-Mobility GmbH
- Genport srl
- Heraeus
- HIAT
- James Cropper
- Johnson Matthey
- Nisshinbo-Beteiligungen
- Riogen Inc.
- Sainergy Fuel Cell Indien Pvt Ltd
- SiM Verbundwerkstoffe
- Tanaka Edelmetalle
- TFP Hydrogen Products & Technical Fibre Products Ltd. (gehört zu James Cropper)
- Umicore
Letzte Aktualisierung: 15.1.2023