Reduktion von Edelmetallen in der Wasserstoffelektrode bei der Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyse

  • Reduction of noble metals in the hydrogen evolving electrode for the polymer electrolyte water electrolysis

Paciok, Paul; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Martin, Manfred (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2017, 2018)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment 420
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (VIII, 186 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Zur Verringerung des CO2-Ausstoßes ist die verstärkte Nutzung von erneuerbaren Energiequellen unabdingbar. Die Stromerzeugung von erneuerbaren Energiequellen ist jedoch witterungsabhängig und intermittierend. Chemische Energiespeicher gelten als Schlüsseltechnologie für die Nutzbarmachung von unregelmäßig anfallendem Strom. Überschüssiger Strom kann mittels Wasserelektrolyse in Wasserstoff umgewandelt werden. Bei Bedarf kann eine Rückverstromung des Wasserstoffes erfolgen. Die Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyse ist in der Lage, dem dynamischen Lastenprofil von erneuerbaren Energiequellen zu folgen, jedoch werden große Mengen Platin als Katalysator für die Wasserstofferzeugungsreaktion benötigt. Eine Hauptaufgabe besteht in der Verringerung der eingesetzten Platinmenge ohne die Effizienz zu beeinträchtigen. Des Weiteren ist der Einfluss einer reduzierten Elektrodenbeladung auf die Langzeitstabilität des Elektrolyseurs weitestgehend unerforscht. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss der Reduzierung des Platingehaltes auf der Kathode eines Polymerelektrolytwasserelektrolyseurs auf dessen Effizienz und Langzeitstabilität untersucht. Die Reduzierung der Beladung wird zum einen durch die Synthese neuartiger, Platin-basierter Katalysatoren mit einer hohen Aktivität angestrebt, und zum anderen wird eine verringerte Menge kommerziell erhältlicher Katalysatoren verwendet. Diese Katalysatoren werden physikochemischen Analysen unterzogen und ihre elektrochemischen Kenndaten mit Hilfe von Halbzellenmessungen erfasst. Für die Betrachtung der Kathodenalterung werden Protokolle entwickelt, um eine beschleunigte Degradation der Kathode zu simulieren. Zudem werden die Kennlinien dieser Katalysatoren unter realen Elektrolysebedingungen vor und nach der Alterung aufgezeichnet und analysiert. Mittels Elektronenmikroskopie werden die auftretenden Alterungsmechanismen näher beleuchtet. Es wurde ein neuartiger, mikroporöser Katalysator entwickelt, der im Vergleich zum Referenzmaterial Platin eine wesentlich höhere Austauschstromdichte aufweist. Mit Hilfe von platinbasierten, kommerziell erhältlichen Katalysatoren wurde die Beladung um den Faktor 80 reduziert, wobei eine geringe Verschlechterung der Performanz festgestellt wurde. Während bei einer hohen Kathodenbeladung die beschleunigte Alterung zu keiner Änderung der Zellkennlinie führte, wurde bei einer Kathodenbeladung von 0,01 mgPt cm−2 eine geringe Verschlechterung der Zelleffizienz beobachtet. Die elektronenmikroskopische Untersuchung der Alterungsmechanismen ergab ein Platinpartikelwachstum als Folge der beschleunigten Alterungstests. Des Weiteren wurde eine Migration der Platinpartikel beobachtet, deren Intensität von der angelegten Überspannung abhing.

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