Investigation of the physical and electrochemical properties of ionic liquid suitable for a future use as fuel cell electrolyte for operation > 100 °C

  • Untersuchung der physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten für eine zukünftige Anwendung als Elektrolyt in Brennstoffzellen für den Betrieb > 100 °C

Hou, Hui; Korte, Carsten (Thesis advisor); Herrmann, Andreas (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Habilitationsschrift

Habilitationsschrift, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Diese Arbeit beschäftigt sich von protischen ionischen Flüssigkeiten (PILs) als vielversprechende zukünftige Elektrolyte für die mittleren Temperatur Brennstoffzellen (IT-PEFC) im Temperaturbereich von 100 °C bis 120 °C. N, N-diethyl-N-methyl-3-sulfopropan-1-ammonium Hydrogensulfat [DEMSPA][HSA] und Triflat [DEMSPA][TfO], N, N-diethyl-3-sulfopropan-1-ammonium Hydrogensulfat [DESPA][HSA] und Triflat [DESPA][TfO] werden in dieser Arbeit untersucht, insbesondere ihrer spezifischen Leitfähigkeit, thermischen Stabilität, Viskosität und elektrochemischen Eigenschaften. Die [TfO]-basierten PILs bieten die beste Kombination aus ausgezeichneter ORR Kinetik und schnellem Sauerstofftransport. Dies gilt insbesondere für [DESPA][TfO]. Es zeigt eine überlegene elektrochemische Leistung, insbesondere bei höheren Überspannung. Diese Eigenschaften machen [DESPA][TfO] einen vielversprechenden Kandidaten für die IT-PEFC Anwendungen. Daher wird eine eingehende Untersuchung für [DESPA][TfO] durchgeführt. Aufgrund der Wasserproduktion während des Brennstoffzellenbetriebs und der Möglichkeiten des Säure- oder Baseverlusts, werden das Phasenübergangsverhalten, die thermische Stabilität, die Ionenleitfähigkeit und die elektrochemischen Eigenschaften bei nichtstöchiometrischem [DESPA][TfO] bewertet. Überschüssige Säure verbessert die Ionenleitfähigkeit und ermöglicht eine größeren ORR Stromdichte bei hohen Überpotentialen. Die Verwendung von Polybenzimidazol (PBI) als Wirtspolymer und [DESPA][TfO] als Elektrolyt in der IT-PEFC wird untersucht. Die PIL wird in der PBI Membran immobilisiert. Die maximale PIL-Beladung wird untersucht, um eine homogene Membran mit ausreichender thermischer, mechanischer Stabilitäten und Ionenleitfähigkeiten zu erreichen. Experimente zeigen, dass die höchste Leitfähigkeit von 2 mScm-1 für PBI-PIL Membran mit stöchiometrischem [DESPA][TfO] und von 16 mScm-1 für Membran mit überschüssigen Säure bei 120 °C und 40% relativer Luftfeuchtigkeit erreicht wird.

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