IEA AFC Annex 31: Effects of Catalyst Ink Storage on Polymer Electrolyte Fuel Cells (2023)

Die UV-Vis-Spektroskopie ergab, dass die Katalysatorteilchen trotz ihrer Stabilisierung durch Ladungswechselwirkung eine starke Sedimentationstendenz aufweisen. Daher sollte die Katalysatortinte so schnell wie möglich nach der Dispersion verwendet oder während der Anwendung kontinuierlich dispergiert werden. Aceton als Oxidationsprodukt des verwendeten organischen Lösungsmittels (2-Propanol) wurde mittels GC-Analyse auch in frisch hergestellter Tinte gefunden. Im Vergleich zu Proben mit Pseudotinte wurde festgestellt, dass die Oxidationsreaktion durch Platin katalysiert wird. Eine Gleichgewichtskonzentration wurde nach einer Lagerzeit von vier Wochen nicht erreicht. Auf der Grundlage der GC-Ergebnisse wurde ein Extrembeispiel mit 10 Gew.-% Aceton im Katalysator (Bezeichnung EX) zusätzlich elektrochemisch charakterisiert.

Die mit RDE aufgezeichnete ECSA zeigte keinen negativen Einfluss der Lagerung, stieg jedoch mit höherem Acetongehalt nach der Konditionierung an. In der ersten CV ist eine leichte Verschiebung des Pt-Reduktionspeaks aufgrund von Acetonresten zu erkennen. Die Anzahl der übertragenen Elektronen, die anhand der Koutecky-Levich-Analyse berechnet wurde, zeigt, dass die Selektivität für die Wasserbildung in den ersten 48 Stunden der Lagerung konstant ist, dann aber bis zu einer Lagerzeit von 96 bis 168 Stunden schnell abnimmt. Ein weiterer Selektivitätsabfall bei Tinte, die vier Wochen lang gelagert wurde, erfordert weitere Untersuchungen. Neben statistischen Fehlern sind auch eine veränderte Struktur der CL auf der Glaskohlenstoffelektrode und restliche Acetonverunreinigungen denkbar. Daraus lässt sich schließen, dass Katalysatortinte mit den in dieser Arbeit verwendeten Inhaltsstoffen innerhalb der ersten 48 Stunden für die RDE-Analyse verwendet werden sollte, um eine ähnliche Leistung wie bei frischer Tinte zu gewährleisten.

Die REM- und Hg-Porosimetrie von MEA-CLs vor der Konditionierung zeigte, dass die CLs mit zunehmendem Alter der Katalysatortinte eine feinere Porenstruktur und mehr flaschenförmige Poren aufweisen. Bei zusätzlicher Zugabe von Aceton ergibt sich eine noch feinere Porenstruktur, so dass die beobachtete Veränderung der Morphologie auf den Acetongehalt zurückzuführen ist. Die homogene Verteilung des Katalysators und des Ionomers innerhalb der CL wird weder durch die Lagerung der Tinte noch durch den Acetongehalt der Tinte negativ beeinflusst. MEAs, die aus gelagerter Katalysatortinte hergestellt wurden, weisen im Vergleich zu MEA-0 eine anfänglich schlechtere Leistung auf, die sich im Laufe des Konditionierungsprozesses fast wieder erholt. Die ECSA vor der Konditionierung verhält sich ähnlich, verbessert sich aber zunehmend mit zunehmendem Acetongehalt in der Tinte, was darauf hindeutet, dass der Katalysator neben Veränderungen in der Porenstruktur zunächst teilweise durch Aceton vergiftet sein könnte, sich aber nach der Konditionierung im Vergleich zu MEA-0 noch besser erholt. Betrachtet man die Leistung, so steigt die OCV mit zunehmendem Alter der Tinte.

IEA AFC Annex 31: Effects of Catalyst Ink Storage on Polymer Electrolyte Fuel Cells