IEA AFC Annex 35: Brennstoffzellen für portable Anwendungen (Arbeitsperiode 2020 - 2023)

Mehrere Brennstoffzelltypen eignen sich für mobile und portable Anwendungen. Der Fokus hinsichtlich des Einsatzes in portablen Anwendungen liegt besonders auf Direkt-Alkohol-Brennstoffzellen (DEFCs) oder Niedertemperatur Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFCs).

Speziell der Einsatz von flüssigen Energieträgern wie Ethanol in DEFCs ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Nutzerfreundlichkeit in portablen Anwendungen. Die Entwicklung fortschrittlicher Katalysatorsysteme für flüssige Brennstoffe wie Ethanol ermöglicht somit eine saubere Energieversorgung in portablen Anwendungen. Sie versprechen Vorteile insbesondere hinsichtlich hoher Leistung, geringer Toxizität und Umweltfreundlichkeit sowie Robustheit.

Ein weiterer Schlüsselaspekt für die breite Anwendung ist die Reduktion der Kosten jetziger Systeme. Dafür gibt es mehrere Ansätze. Die Kosten können durch die Entwicklung neuer Materialien und Herstellungsverfahren, durch günstigere und effizientere Katalysatoren und Stack-Komponenten sowie durch höhere Stückzahlen verringert werden. Die Lebensdauer soll innerhalb der nächsten Jahre auf 10.000 Stunden erhöht werden. Erhöhte Effizienz und Leistungsdichte werden in Zukunft zu längeren Betriebszeiten, geringeren Wärmeverlusten und reduzierten CO₂ Emissionen führen.

Die Themenfelder der Subtasks des Annex 35 gliedern sich in:

• Systemanalyse und Hybridisierung
• System-, Stapel- und Zellentwicklung
• Codes und Normen, Sicherheitsbedingungen, Brennstoffe und deren Verpackung, Transport
• Verlängerung der Lebensdauer für portable Brennstoffzellen

Die Forschungstätigkeit der österreichischen Beteiligung konzentriert sich auf die "System-, Stapel- und Zellentwicklung" und „Verlängerung der Lebensdauer für portable Brennstoffzellen".

In laufenden Projekten wird die katalytische Aktivität und Langzeitstabilität von mono-/bi- oder tri-metallischen Katalysatoren hinsichtlich der Ethanoloxidation und Sauerstoffreduktion in alkalischen Medien sowie die Leistung der Membranen durch die Zugabe von funktionalisiertem Graphenoxid (GO) verbessert. Neue Anodenkatalysatorsysteme auf Basis nicht edelmetallhaltiger Metalle werden durch verschiedene ausgewählte Synthesemethoden entwickelt, um eine kontrollierte homogene Abscheidung von Katalysator-Nanopartikeln auf dem Trägermaterial zu erreichen.

Die synthetisierten und weiterentwickelten funktionalisierten Graphen-basierten Elektrodenmaterialien werden für die Entwicklung neuartiger Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs), eine Evaluierung des Einflusses von Produktionsparametern und des Zelldesigns auf die Leistung der MEAs und ihre abschließende Charakterisierung auf Zellebene verwendet.

Studien

• Ag -MnxOy on Graphene Oxide Derivatives as Oxygen Reduction Reaction Catalyst in Alkaline Direct Ethanol Fuel Cells (2022)

Papers

• Paper "Cobalt-modified palladium nanocatalyst on nitrogen-doped reduced graphene oxide for direct hydrazine fuel cell" (2021)
• Paper "Palladium-Nickel Electrocatalysts on Nitrogen-Doped Reduced Graphene Oxide Nanosheets for Direct Hydrazine/Hydrogen Peroxide Fuel Cells" (2021)
• Paper: Techno-economic analysis of fixed-bed chemical looping for decentralized, fuel-cell-grade hydrogen production coupled with a 3 MWth biogas digester (2021)
• Projektbeschreibung (2-Seiter)
• Paper "Cold start behavior and freeze characteristics of a polymer electrolytemembrane fuel cell" (2021)
• Paper "Efficient, Chitosan/Nitrogen-doped Reduced Graphene Oxide Composite Membranes for Direct Alkaline Ethanol Fuel Cells" (2021)
• Paper "Novel Bimetallic Pd–X (X = Ni, Co) Nanoparticles Assembled on N-Doped Reduced Graphene Oxide as an Anode Catalyst for Highly Efficient Direct Sodium Borohydride–Hydrogen Peroxide Fuel Cells" (2021)
• Paper "Development of Palladium and Platinum based Membrane Electrode Assemblies and Performance Characterization in the Alkaline Direct Ethanol Fuel Cell" (2020)
• Paper "Development and Characterization of Carbon Supported Palladium-based Anode Catalysts for the Alkaline Direct Ethanol Fuel Cell" (2020)

Alkaline Ethanol Oxidation Reaction on Carbon Supported Ternary PdNiBi Nanocatalyst using Modified Instant Reduction Synthesis Method (2020)

In dieser Arbeit wird die Entwicklung einer neuen „Instant reduction synthesis method" zur Herstellung von kohlenstoff-geträgerten, ternären PdNiBi Katalysatoren für eine gesteigerte Aktivität zur Oxidation von Ethanol beschrieben. Die synthetisierten Katalysatoren werden physikochemisch und elektrochemisch charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen homogen verteilte Metall-Nanopartikel auf dem Kohlenstoff-Trägermaterial, was zur Entwicklung von hoch-aktiven Katalysatoren für die Ethanol Oxidation in alkalischem Medium führte.

Cermenek, B, Genorio, B, Winter, T, Wolf, S, Connell, JG, Roschger, M, Letofsky-Papst, I, Kienzl, N, Bitschnau, B & Hacker, V 2020, 'Alkaline Ethanol Oxidation Reaction on Carbon Supported Ternary PdNiBi Nanocatalyst using Modified Instant Reduction Synthesis Method' Electrocatalysis.

Dänemark, Deutschland, Italien (Leitung), Japan, Korea, Österreich, Schweden

Brigitte Hammer, Bakk.
Prof. Dr. Viktor Hacker
Technische Universität Graz
Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Arbeitsgruppe Brennstoffzellen und Wasserstoff
Inffeldgasse 25C, 8010 Graz
Tel.: +43 316 873 8781
E-Mail: brigitte.hammer@tugraz.at