Elektrolyte, Membran- und Elektrodenmaterialien für PEM-Brennstoffzellen
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl.: Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEM-FC) nutzen Wasserstoff und Sauerstoff um letztendlich in einer kontrolliert ablaufenden Knallgas-Reaktion elektrische Energie unter Freisetzung von Wasser zu erzeugen. Gängige Membranpolymere (Ionomere) basieren auf einem PTFE-Grundgerüst, das in den Seitenketten Sulfonsäure-Gruppen trägt. Erst in einem mit Wasser benetzten Zustand verfügen diese über eine hinreichende Protonenleitfähigkeit. Durch den Einsatz von Wasser ist allerdings die Betriebstemperatur limitiert. Neuere Konzepte verwenden u.a. Polybenzimidazol (PBI), das als Membranmaterial eine Matrix für die protonenleitende Phosphorsäure bildet.
Abb. 1. Schematischer Aufbau einer Protonenaustauschsmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC).
Bestimmte ionische Flüssigkeiten verfügen ebenfalls über eine Protonenleitfähigkeit, die sie insbesondere in Kombination mit ihrem geringen Dampfdruck zu interessanten Alternativen für Phosphorsäure machen.
Eine andere Möglichkeit ist die Polymerisation geeigneter ionischer Flüssigkeiten, um hieraus neue Ionomere zu generieren, die als Alternative zu gängigen protonenleitenden Membranmaterialien fungieren könnten. Hierzu eignen sich insbesondere eine Reihe so genannter „Task Specific Ionic Liquids“ (TSILs), die über entsprechende Funktionalitäten in der Seitenkette verfügen.
Schließlich birgt die Beschaffenheit der Elektroden noch ein erhebliches Verbesserungspotential: Typischerweise besteht diese aus Ruß als Trägermaterial und einem Metall- bzw. Edelmetallkatalysator.
In diesem Zusammenhang könnten die Kohlenstoffallotrope Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhrchen (engl. Carbon Nanotubes) in Kombination mit unseren Metall-und Edelmetall-Nanopulvern interessante Materialien für die angewandte Forschung darstellen.
Text: Dr. Thomas J. S. Schubert, IOLITEC GmbH, 2015.
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