Entwicklung am Herzen der Brennstoffzelle

spruehbeschichtung
Die Kompositmembran kann durch Elektro-Spinning und Sprühbeschichtung direkt auf die Elektrode aufgebracht werden. © Hahn-Schickard

Die Membran-Elektroden-Einheit bildet das Herzstück der Brennstoffzelle. Sie bestimmt maßgeblich Leistung und Lebensdauer eines Stacks und verursacht einen Großteil seiner Kosten. Dementsprechend groß ist das Interesse an der Forschung und Entwicklung neuer Materialien und Herstellungskonzepte für die MEA (membrane electrode assembly). Eine Arbeitsgruppe bestehend aus Wissenschaftlern der Universität Freiburg und des Hahn-Schickard-Instituts Freiburg kümmert sich sowohl um die Herstellung als auch um die Mikrocharakterisierung von MEAs mit dem Ziel, die Charakteristika der Elektroden-Membran-Grenzfläche weiter zu optimieren.

Die Grenzfläche zwischen Membran und Elektroden hat zentrale Bedeutung für die Leistung der Brennstoffzelle. Trotzdem werden beide Komponenten häufig als zwei entkoppelte Schichten entwickelt: Die Membran als trennende Polymerfolie und die Elektroden als Zentren der Reaktionen. Die Membran wird typischerweise als Folie hergestellt, auf die die Elektroden meist in Rolle-zu-Rolle-tauglichen Beschichtungsprozessen nachträglich aufgebracht werden. Allerdings hängen beide Schichten über den Wassertransport und die Protonenleitung eng miteinander zusammen.

Wasser, das während des Betriebs in der Elektrode erzeugt wird, trägt zur Befeuchtung der Membran bei, deren Leitfähigkeit für Protonen wiederum stark vom Wassergehalt abhängt. Für die Reaktion in den Elektroden dient die Membran wiederum als „Protonenquelle“, so dass an der Grenzschicht zwischen Membran und Elektroden die höchste Reaktionsrate vorherrscht. Das Ionomer in den Elektroden dient als protonenleitendes Netzwerk und ermöglicht so Protonenleitung innerhalb der Elektrode.

Diese Betrachtungen machen deutlich, dass eine Miteinbeziehung der Grenzschicht zwischen Membran und Elektroden in die Entwicklungsarbeiten überaus wichtig ist und Membran und Elektroden nicht getrennt voneinander betrachtet werden können, sondern im Zusammenspiel entworfen werden müssen.

Direkt-Membran-Deposition

Am Hahn-Schickard-Institut wurde 2018 eine Studie angefertigt, in der rund 100 Veröffentlichungen zusammengetragen wurden, in denen es um die Optimierung der Grenzschicht zwischen der Membran und Elektrode oder zwischen der protonenleitenden Phase und den Katalysezentren geht [1]. Diese ergab, dass Verbesserungen beispielsweise durch einen höheren Ionomer- oder Platingehalt in Richtung der Membran oder durch Ionomer-Imprägnierung auf der Membranseite erreicht wurden. Auf der Membranseite ist zudem eine Mikrostrukturierung der Membran möglich, die eine deutliche Vergrößerung der Membran-Elektroden-Grenzfläche zur Folge hat [2].

 

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Autoren: Dr. Matthias Breitwieser und Dr. Severin Vierrath, beide vom Hahn-Schickard-Institut Freiburg

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