Projekt

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Radiation grafted proton conducting membranes for high-temperature polymer electrolyte fuel cells

Titel Englisch Radiation grafted proton conducting membranes for high-temperature polymer electrolyte fuel cells
Gesuchsteller/in Gubler Lorenz
Nummer 156604
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Labor für Elektrochemie Paul Scherrer Institut
Hochschule Paul Scherrer Institut - PSI
Hauptdisziplin Materialwissenschaften
Beginn/Ende 01.02.2015 - 28.02.2017
Bewilligter Betrag 194'550.00
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Alle Disziplinen (4)

Disziplin
Materialwissenschaften
Chemische Verfahrenstechnik
Physikalische Chemie
Organische Chemie

Keywords (4)

fuel cell; high temperature polymer electrolyte fuel cell; phosphoric acid; radiation induced grafting

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Brennstoffzellen erzeugen auf elektrochemischem Wege sauber und effizient Strom aus der chemischen Energie eines Brennstoffes und Sauerstoff. Typischerweise wird reiner Wasser-stoff als Brennstoff verwendet, jedoch ist es wünschenswert, Brennstoffe mit existierender Infrastruktur zu verwenden. In Hochtemperatur Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen, welche bei Temperaturen von 160-180°C betrieben werden, können reformierte Brennstoffe, z.B auf Basis von Erdgas, ohne aufwändige Reinigungsschritte direkt verstromt werden. Der Elektrolyt dieses Typs Brennstoffzelle besteht aus einem Polymer, in welches Phosphorsäure eingelagert ist. Die mechanische Robustheit der Membran und die Beweglichkeit der Säure und die dadurch verbundenen Alterungsphänomene beschränken die Lebensdauer der Zelle we-sentlich. Dieses Forschungsvorhaben hat zum Ziel, durch eine geeignete Architektur von Membran und Elektroden den Säurehaushalt der Zelle besser zu steuern und damit die Langzeitstabilität zu verbessern.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Mit der Methode des Strahlenpfropfens können Polymerfilme gezielt funktionalisiert werden, um bestimmte Eigenschaften zu erzeugen. Im vorliegenden Fall wird ein chemisch und thermisch stabiler, teilfluorierter Film durch Aufpfropfen von basischen Polymerketten modifiziert, so dass das Polymer in Phosphorsäure quillt und so zum Elektrolyten wird. Anhand der Verwendung verschiedener Pfropfcopolymere soll die Wechselwirkung der Säure mit dem Polymergerüst besser verstanden werden, da diese die Eigenschaften der Membran und die Umverteilung der Säure im Betrieb, insbesondere bei wechselnder Last, wesentlich beeinflussen. Mit der teilkristallinen Natur des Basispolymers kann voraussichtlich ausserdem die mechanische Robustheit der Membran verbessert werden, da diese in der konventionellen Machart eine Gel-artige Beschaffenheit aufweist. Des Weiteren wird beabsichtigt, den Binder in der Elektrode auf dieselbe Art zu verändern mit dem Ziel, die elektrochemische Reaktionszone (Dreiphasengrenze) besser zu definieren und so eine ungünstige Umverteilung der Säure zu verringern oder gar vermeiden.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Neben der Niedertemperatur Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, welche u.a. für den Antrieb zukünftiger Elektrofahrzeuge entwickelt wird, wird der Hochtemperatur-Variante dieses Brennstoffzellentyps deutlich weniger Aufmerksamkeit zuteil. Ihr grosser Vorteil jedoch ist die Möglichkeit, reformierte Brennstoffe zu verwenden, was Unabhängigkeit von einer Wasserstoff Infrastruktur bedeutet. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse können wesentliche Einsichten liefern in den Säurehaushalt der Zelle und damit in Mechanismen, welche deren Lebensdauer limitieren.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 28.09.2014

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Name Institut

Publikationen

Publikation
Amphoteric Ion-Exchange Membranes with Significantly Improved Vanadium Barrier Properties for All-Vanadium Redox Flow Batteries
Nibel Olga, Rojek Tomasz, Schmidt Thomas J., Gubler Lorenz (2017), Amphoteric Ion-Exchange Membranes with Significantly Improved Vanadium Barrier Properties for All-Vanadium Redox Flow Batteries, in ChemSusChem, 10(13), 2767-2777.
Polyvinylamine-Containing Adsorbent by Radiation-Induced Grafting of N‑Vinylformamide onto Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Films and Hydrolysis for CO2 Capture
Rojek Tomasz, Gubler Lorenz, Nasef Mohamed M., Abouzari-Lotf E. (2017), Polyvinylamine-Containing Adsorbent by Radiation-Induced Grafting of N‑Vinylformamide onto Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Films and Hydrolysis for CO2 Capture, in Industrial & Engineering Chemistry Research, 56, 5925-5934.

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
Prof. Mohamed M. Nasef, Center of Hydrogen Energy, Universiti Teknologi Malaysia Malaysia (Asien)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Austausch von Mitarbeitern

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
Workshop on Ion Exchange Membranes for Energy Applications – EMEA 2016 Poster Radiation grafted membranes for high temperature hydrogen pumping 27.06.2016 Bad Zwischenahn, Deutschland Schmidt Thomas Justus; Rojek Tomasz; Gubler Lorenz;
University of Aalborg, Department of Energy Technology Einzelvortrag Quo Vadis High Temperature PEFC ? 30.11.2015 Aalborg, Dänemark Schmidt Thomas Justus;
Workshop on Ion Exchange Membranes for Energy Applications – EMEA 2015 Poster Radiation grafted membranes for high-temperature polymer electrolyte fuel cells 22.06.2015 Bad Zwischenhahn, Deutschland Gubler Lorenz; Rojek Tomasz; Schmidt Thomas Justus;
Departmental Seminar, Physical Chemistry of Solids, Max Planck Institute for Solid State Research Einzelvortrag Radiation grafting: tailoring of ion-conducting membranes for electrochemical applications 11.05.2015 Stuttgart, Deutschland Gubler Lorenz;


Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
135074 Morphological studies of polymer electrolytes for fuel cell application 01.04.2011 Projektförderung (Abt. I-III)

Abstract

The vision of this project is to create new types of proton conducting membranes based on phosphoric acid (PA) doped polymers for the high-temperature polymer electrolyte fuel cell (HT-PEFC) with improved acid retention capabilities and superior mechanical robustness compared to the conventionally used PA-doped polybenzimidazole (PBI) membranes. In the HT-PEFC, which operates at a temperature of around 160°C, water-free proton transport is possible via a PA matrix in the polymer electrolyte. Yet free acid in the membrane can migrate within the membrane-electrode assembly (MEA) and evaporate, move as a liquid, or redis-tribute within the structure of the cell. This has implications on the performance and lifetime of the cell. The objective is to investigate the effect of the nature of different proton acceptor groups in the polymer on the interaction with phosphoric acid and its effect on conductivity and acid retention properties. Furthermore, functionalization of the polymer binder in the catalyst layer is envisioned to introduce acid absorption properties and create a more defined triple-phase boundary for the electrochemical reactions. The elevated operating temperature in the HT-PEFC allows the use of hydrogen with lower purity, in particular regarding the CO content of the fuel. However, in HT-PEFCs a higher catalyst loading is typically required, because the activity of the platinum catalyst is impaired by significant adsorption of phosphate anions. Flooding of the electrodes with free acid also affects Pt utilization. In the approach chosen here, proton conducting membranes will be prepared by radiation induced modification of a preformed fluoropolymer film by introducing nitrogen proton acceptor groups via a grafting reaction, followed by doping of the graft copolymer with phosphoric acid. In similar manner, the fluoropolymer binder in the catalyst layer will be functionalized. The radiation grafting method is a versatile means to functionalize polymers for various ap-plications. In addition, the semi-crystalline nature of the base polymer with high melting point is expected to yield robust membranes and may offer a favorable morphology for proton conduction, similar to the materials used in the low temperature (LT-) PEFC. Significant at-tention will be given to fuel cell characterization of the synthesized materials to evaluate per-formance characteristics as well as durability-relevant properties of acid retention.
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