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Mechanische Eigenschaften von katalysatorbeschichteten Membranen für die Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse = Mechanical properties of catalyst coated membranes for polymer electrolyte membrane electrolysis
2020 & 2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-10-28
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04026
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/817649/files/817649.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CCM (frei) ; PEM (frei) ; electrolysis (frei) ; hydrogen (frei) ; mechanical properties (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Mit dem Ziel fossile Energieträger zu substituieren, wurde der Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland in den letzten Jahren stark vorangetrieben. Da Strom aus Wind- und Solarkraft wetterbedingt hohen Fluktuationen unterliegt ist es erforderlich, den erzeugten Strom zwischen zu speichern. Dies kann in Form von Wasserstoff geschehen, der über die Elektrolysetechnologie aus erneuerbarem Strom erzeugt wird. Die Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse ist dazu besonders geeignet, da sie hochdynamisch auf die fluktuierende Eingangsleistung reagieren kann. Derzeit wird an dieser Technologie noch im Hinblick auf Kostenreduktion, Effizienzsteigerung und Langlebigkeit gearbeitet. Besonders die Optimierung der katalysatorbeschichteten Membran, typischerweise Nafion© mit Iridium auf der Anodenseite und Platin auf der Kathodenseite, bietet das Potential, eine Verbesserung in diesen drei Bereichen zu schaffen. Im Hinblick auf die mechanischen Eigenschaften besteht bisher jedoch kaum ein tiefergehendes Verständnis. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die mechanischen Eigenschaften von katalysatorbeschichteten Membranen zu analysieren und anschließend den Einfluss dieser mechanischen Eigenschaften auf die Zellleistung zu untersuchen. Die hier vorliegende Arbeit gliedert sich in zwei Teile: ex-situ und in-situ Versuche. Um die relevanten mechanischen Eigenschaften von katalysatorbeschichteten Membranen zu untersuchen, wurden ex-situ Kompressionsversuche, Schwellversuche, Spannungsrelaxationsversuche und Kriechversuche unter Elektrolysebedingungen und unter Druckbelastung durchgeführt. Für die in-situ Versuche wurde eine Druckzelle entwickelt mit der es möglich war, Anpressdruck über einen Stempel direkt auf die aktive Zellfläche zu übertragen und verschiedene Zelldesigns miteinander zu vergleichen. Die ex-situ Versuche zeigten ein viskoelastisches Verhalten für Nafion© und katalysatorbeschichtetes Nafion© unter Elektrolysebedingungen. Die Viskosität von katalysatorbeschichteten Membranen ist dabei um 38 % geringer als von unbeschichteten. In den in-situ Versuchen konnte anschließend bewiesen werden, dass die mechanischen Eigenschaften einen deutlichen Einfluss auf die Zellleistung nehmen. Durch die Kompression der katalysatorbeschichteten Membran in der Zelle sinkt ihr Wassergehalt. Dies hat zur Folge, dass die Leistung über einen optimalen Anpressdruck von 2,5 MPa hinaus geringer wird. Die Zeitabhängigkeit der Kompression bei einem Druckwechsel, die Schwellkraft und die Spannungsrelaxation führen außerdem zu einer Veränderung des Anpressdrucks und somit der Leistung über die Zeit. Daher muss der Anpressdruck über konstruktive Lösungen beim Verpressen der Zellen zwingend konstant gehalten werden.With the aim of substituting fossil fuels, the expansion of renewable electricity generation in Germany has been strongly promoted in recent years. Due to weather conditions, electricity from wind and solar power is subject to high fluctuation, so it is necessary to develop efficient storage options for electricity. One possibility is to store electricity in the form of hydrogen, which is generated by the electrolysis technology from renewable electricity. The polymer electrolyte membrane electrolysis is particularly suitable for this purpose. It works dynamically and can react quickly to the fluctuating input power. At present, this technology is still being worked on in terms of cost reduction, increased efficiency and longevity. In particular, the optimization of the catalyst coated membrane, typically Nafion© with iridium on the anode side and platinum on the cathode side, offers the potential to provide an improvement in these three areas. With regard to the mechanical properties, however, there is hardly any understanding so far. The aim of this work is therefore to analyze the mechanical properties of catalyst coated membranes and then to investigate the influence of these mechanical properties on cell performance. The work is divided into two parts: ex-situ and in-situ experiments. To investigate the relevant mechanical properties of catalyst coated membranes, ex-situ compression tests, swelling tests, stress relaxation experiments and creep tests under electrolysis conditions and under compression were carried out. For the in situ experiments, a pressure cell was developed with which it was possible to transfer clamping pressure via a stamp directly to the active cell area. In addition, different cell designs could be compared. The ex situ experiments showed a viscoelastic behavior for Nafion© and catalyst coated Nafion© under electrolysis conditions. The viscosity of catalyst coated membranes is 38 % lower. In the in situ experiments it could subsequently be proved that these viscoelastic properties have an influence on the cell performance. Due to the compression of the membrane, a loss of water occurs, which results in the performance being reduced above an optimum clamping pressure of 2.5 MPa. The time dependence of the compression after a pressure change, the swelling pressure and the stress relaxation also lead to a change in clamping pressure and thus performance over time. By constructive solutions clamping pressure must be kept constant in the cell.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT020936163
Interne Identnummern
RWTH-2021-04026
Datensatz-ID: 817649
Beteiligte Länder
Germany
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