Erhöhung der Haltbarkeit von Brennstoffzellmembranen
Eine Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität durch eine chemische Reaktion zwischen einem Brennstoff und Sauerstoff. Diejenigen, die eine protonenleitende Polymermembran als Elektrolyt verwendet, sind als Protonenaustauschmembran-(PEM)Brennstoffzellen bekannt. Es handelt es sich um semipermeable Membranen, die im Allgemeinen aus Ionomeren bestehen und Protonen leiten, während sie für Gase undurchlässig sind. Bis heute haben PEM-Brennstoffzellen vor allem wegen des mechanischen Versagens der Membran versagt. Um Haltbarkeit und Lebensdauer zu erhöhen, wurde das Projekt "Membranes for stationary application with robust mechanical properties" (MAESTRO) gegründet. Eines der häufigsten und im Handel erhältlichen PEM Materialien ist das Fluorpolymer Perfluorsulfonsäure (PFSA). MAESTRO hat große Fortschritte bei der Erreichung von PFSA Ionomeren mit niedrigem mit Äquivalentgewicht (EW) und verbesserten mechanischen Eigenschaften im Vergleich zum Stand der Technik gemacht. Benchmark Ionomere waren bisher die besten Materialien im Labor. Allerdings hat MAESTRO bewiesen, dass sie in Bezug auf ihre Haltbarkeit nicht die besten waren, wenn die Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) nach 100 Stunden Dauerbetrieb ausgewertet wurden. Zu diesem Zweck verwendeten die Wissenschaftler niedrige EW Ionomere, um Membranen mit robusten mechanischen Eigenschaften vorzubereiten. Ihre Ansätze beruhten auf der Verwendung von chemischen, thermischen und verarbeitenden und Füllstoffverstärkungsmethoden. Insbesondere lag der Fokus auf der Erforschung ionischer Vernetzungen während der Emulsionspolymerisation und des Membrangusses. Dieser Ansatz führt zu nichtlinearen Ionomermolekülen mit hohem Molekulargewicht, die die Probleme mit Membrandimensionsänderungen wie Schwellung überwinden. Wissenschaftler verwendeten auch Elektrospinning, um organische und anorganische Fasern herzustellen, die niedrige EW Benchmark Ionomere mechanisch verstärken. Durch Nanofaserverstärkung stellten die Wissenschaftler eine signifikante Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der fertigen Membrane und größere Haltbarkeit fest, wobei die Leitfähigkeit gegenüber der Vergleichsmembran höher liegt. Ein weiteres Verfahren zur mechanischen Verstärkung der Benchmark Ionomere war durch ionischen Vernetzung auf Basis von Nanopartikeln. Mehrere Membranen wurden unter Verwendung von Nanopartikel-Füllstoffen unterschiedlicher Hydrophobizität hergestellt. Mit in-situ-Tests, um den mechanischen Abbau zu beschleunigen, zeigten die stabilisierten MEAs eine verbesserte Haltbarkeit, mit weniger als 3% Spannungsverlust nach 2 000 Betriebsstunden. Die Projektergebnisse wurden in Publikationen und auf der Projektwebsite verbreitet.
Schlüsselbegriffe
Brennstoffzellenmembranen, mechanische Stabilität, Protonenaustauschmembran, mechanische Eigenschaften, PFSA-Ionomeren
