Graphenoxid basierte MEEs für Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle

Die Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle (DEFC) zeigt hohes Potential als alternative Energiequelle für portable Anwendungen. Die HerausforderungenzurEntwicklung dieserjungen Brennstoffzellentechnologie bestehen in der Verbesserung der Leistung (Aktivität), der Beständigkeit (Stabilität) und der Senkung der Kosten des Katalysators und der Membran. Dieses Projekt untersucht die Anwendung neuer Membranen und Elektrodenkonzepte (MEEs), die auf umweltfreundlichen Polysaccharid-basierenden Polymeren in Kombination mit Graphenoxid beruhen. Die wichtigsten Ziele sind: - EntwicklungneuerAnodenkatalysatorsystemebasierend auf nichtedelmetallhaltigen Elementen und funktionalisierten Graphenoxiden als Trägermaterialien mit hoher Aktivität und Langzeitstabilität unter Verwendung von verschiedenartigen ausgewählten Synthesemethoden (z.B.: Imprägnierungs-, Instant-, Polyol-,Nanocapsule-, Core-shell-oderBromid- Anionenaustausch-Methode)um eine kontrollierte homogene Abscheidung der Katalysatornanopartikeln auf dem Trägermaterial zu erreichen. - Entwicklung und Optimierung einer kostengünstigen Herstellungsmethode für das Stickstoff- funktionalisierte Graphenoxid (GO-N) mittels Ammoniak und Stickstoff-Plasma. - Entwicklung neuer Anionenaustauschermembran-Kompositmaterialien mit erhöhter Effizienz und Stabilität zu geringeren Kosten (d.h. Verwendung von kostengünstigen, nachhaltigen Polysaccharid-basierenden PolymerenundfunktionalisiertenGraphenoxiden)durch Verwendung einfacher Fabrikations- und Coating-Verfahren. Der Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik wird durch die intensive Kooperation der Projektpartner zur Entwicklung der neuen, umweltfreundlichen alkalischen Direkt-Ethanol- Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte sichergestellt.

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach erneuerbaren Energien aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe und der hohen CO2-Emissionen enorm gestiegen. Brennstoffzellen werden als eine der Schlüsseltechnologien für die saubere Energiewirtschaft der Zukunft angesehen. Es gibt jedoch drei kritische technische Hindernisse, die die Kommerzialisierung von Brennstoffzellen einschränken: 1) Leistung / Aktivität, 2) Haltbarkeit / Stabilität und 3) Kosten. Alkalische Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen (ADEFC) sind einfach zu handhaben, kostengünstig und umweltfreundlich. Die Leistung von ADEFCs wird jedoch zum einen durch die langsame Reaktionskinetik der elektrochemischen Oxidation von Ethanol an der Anode und zum anderen durch den Ethanoldurchtritt von der Anode zur Kathode begrenzt. Der Ethanoldurchtritt verursacht ein gemischtes Potenzial an der Kathode und verringert dadurch die Zellspannung. Folglich verursachen diese beiden Effekte eine drastische Verringerung der Leistungsdichte von ADEFC-Systemen. Daher besteht ein umfangreicher Forschungsbedarf für die Entwicklung leistungsfähiger und stabiler Katalysatoren sowohl für die Anode als auch für die Kathode, aber auch für Hochleistungsmembranen, die gleichzeitig kostengünstig sind. In diesem Projekt "Graphenoxid basierte MEEs für Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle" GO DEFC wurde deshalb der Fokus auf die Verbesserung der Katalysatoren und Membranen durch die Zugabe von speziell entwickelten Graphen Derivaten gelegt. Durch die intensive Kooperation der Projektpartner von der TU Graz, der Universität Ljubljana und der Universität Maribor wurde der Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik zur Entwicklung der neuen, umweltfreundlichen alkalischen Direkt-Ethanol Brennstoffzelle mit hoher Leistungsdichte sichergestellt. Die Verwendung kostengünstiger Aktivmaterialien wie edelmetallfreie Co-Katalysatoren und Übergangsmetalloxide, aber auch die Reduzierung der Menge an aktivem Material und die hohe Aktivität reduzierten gleichzeitig die Kosten. In den Einzelzellentests zeigten die produzierten, mit Graphen modifizierten Membranen eine höhere Leistungsdichte als kommerzielle Membranen. Die Optimierung der Elektroden, die Herstellung der Membran-Elektroden-Einheit und der Einfluss des Strömungsfeldes und der Messparameter auf die Leistungsfähigkeit wurden erfolgreich demonstriert. Neben wissenschaftlichem Know-how hat die Arbeit an diesem Projekt die Schaffung des Bewusstseins für erneuerbare Energiequellen und dem Ressourcenmanagements im Alltag deutlich gemacht. Die Mitglieder des Projektteams konnten wichtige nicht-wissenschaftliche Erfahrungen sammeln und so auch ihren Horizont im bedeutungsvollen Bereich der Soft Skills erweitern. Dazu gehört insbesondere die Fähigkeit zur Zusammenarbeit und Kooperation mit anderen, um als Team die gesteckten Ziele leichter zu erreichen als der Einzelne und um sich gegenseitig zu ergänzen.