Verbesserung für Brennstoffzellen
Punktgenau aufgelöste Messung der Protonenleitfähigkeit
Niedertemperatur-Brennstoffzellen, wie sie beispielsweise für Autos entwickelt werden, wandeln chemische Energie unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie um. Dabei sind der mit Wasserstoffgas gefüllte Anodenraum und der mit Luft oder Sauerstoff gefüllte Kathodenraum durch eine Polymermembran getrennt, die jedoch für Protonen durchlässig ist. Bisher maß man die Leitfähigkeit der Membran nur grob und nahm an, dass diese homogen ist. Wissenschaftler des Instituts für Physikalische Chemie der Uni Stuttgart und der Hochschule Esslingen entwickelten eine sehr hoch auflösende Messmethode, die das Gegenteil beweist. Die Messungen dienen dem Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Protonenleitfähigkeit und der Mikrostruktur der Polymerelektrolyt-Membranen und erlauben eine gezielte Verbesserung des Herstellungsprozesses von Brennstoffzellen.
Dreidimensionale Darstellung der Protonenleitfähigkeit bei einer Ortsauflösung von zehn Nanometern. Die Leitfähigkeit zeigt scharfe Spitzen oder Bündel von Spitzen, dazwischen liegen "schlafende" Bereiche.
Universität Stuttgart
Die aus dem Polymer Nafion bestehenden Membran ist einseitig mit einer Schicht aus einem Platin-Katalysator belegt. Diese dient gleichzeitig als Anode einer elektrochemischen Zelle, an der beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung und mit Hilfe von Sauerstoff Wasser oxidiert wird. Dabei kommt es zur Freisetzung von Protonen, die durch die Membran zur Nanokathode, der Platin-beschichteten, leitfähigen Spitze des Kraftmikroskops, wandern und dort mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft wieder zu Wasser reagieren. Bedingung für das Eintreten dieser elektrochemischen Reaktionen ist, dass sich die Spitze über Bereichen der Membranoberfläche befindet, in denen die Protonen-leitenden Strukturen der Membran enden; nur dann lässt sich ein Stromfluss messen. Im Kontakt mit hydrophoben (wasserabweisenden) Bereichen dagegen konnte kein Strom nachgewiesen werden.
Um die Leitfähigkeit der Membran experimentell zu messen, setzten die Wissenschaftler die so genannte Raster-Kraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy) ein. Mit dieser Messmethode kann eine Auflösung von zehn Nanometern erreicht werden, was die Auflösung konventioneller Messungen um viele Größenordnungen übersteigt. Für die Untersuchung werden der Messkopf sowie die Probe bei einer konstanten Feuchtigkeit klimatisiert. Anschließend werden die Messwerte dreidimensional visualisiert. Dabei zeigt sich die Leitfähigkeit als scharfe Spitzen und Bündel von Spitzen, die sich wie die direkte Abbildung von Leitfähigkeitskanälen präsentieren. Überraschenderweise liegen dazwischen große "schlafende" Bereiche ohne Protonenleitung. Die Messungen erlauben eine gezielte Verbesserung des Herstellungsprozesses von Brennstoffzellen, zum Beispiel der Temperatur beim Gießen der Membran oder der Art des eingesetzten Lösungsmittels. Namhafte Autofirmen interessieren sich bereits für die neue Methode, die derzeit für eine breite Anwendung ausgebaut wird. Bereits im vergangenen Jahr wurden die Projektteilnehmer bei dem von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart ausgeschriebenen Innovationswettbewerb "f-cell Award" mit einem Sonderpreis ausgezeichnet.
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