07.05.2020 • Energie

Mehr Strom aus Brennstoffzellen

Spezielle Kompositmembran steigert die Protonenleitfähigkeit.

Eine Gruppe aus Brasilien hat mit Kollegen vom Helmholtz Zentrum Berlin eine neuartige Kompositmembran für Ethanol-Brennstoff­zellen untersucht. Sie besteht aus dem Polymer Nafion, in das durch Schmelz­extrusion Titanat-Nanopartikel eingebettet sind. An der Synchrotron­strahlungs­quelle Bessy II konnten sie beobachten, wie die Nanopartikel in der Nafion-Matrix verteilt sind und wie sie die Protonen­leitfähigkeit steigern.

Abb.: Das neue Material für die Membranen der Brennstoff­zelle besteht aus...
Abb.: Das neue Material für die Membranen der Brennstoff­zelle besteht aus Nafion mit einge­betteten Nano­partikeln. (Bild: B.Matos, IPEN)

Ethanol besitzt eine fünfmal höhere volumetrische Energie­dichte als Wasserstoff und lässt sich gefahrlos in geeigneten Brennstoff­zellen zur Strom­erzeugung nutzen. Insbesondere in Brasilien besteht großes Interesse an Brennstoffzellen für Ethanol, das dort kostengünstig aus Zuckerrohr hergestellt werden kann. Theoretisch könnte der Wirkungsgrad einer Ethanol-Brenn­stoffzelle 96 Prozent betragen, aber in der Praxis liegt er selbst bei der höchsten Leistungs­dichte nur bei dreißig Prozent.

Ein Team um Bruno Matos vom brasilianischen Forschungs­institut IPEN erforscht deshalb neuartige Komposit­membranen für Direkt­ethanol-Brennstoff­zellen. Diese Komposit­membranen sollen die Polymer­elektrolyten wie Nafion ersetzen. Matos und sein Team stellten nun mit einem Schmelz­extrusions­verfahren Komposit­membranen auf der Basis von Nafion her. Dabei wurden in die Nafion-Matrix Titanat-Nanopartikel eingebettet, welche mit Sulfon­säuregruppen funk­tionalisiert wurden. 

Matos und sein Team haben nun vier verschiedene Varianten dieser neuartigen Materialien an der Infrarot-Beamline IRIS bei Bessy II analysiert. Mit Infrarot­spektroskopie beobachteten sie, dass sich chemische Brücken zwischen den Sulfonsäure­gruppen der funk­tionalisierten Nanopartikel bildeten. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Protonen­leitfähigkeit in der Kompositmembran erhöht war, selbst bei hohen Konzen­trationen von Nanopartikeln. 

„Das war eine echte Überraschung“, sagt Ljiljana Puskar, HZB-Wissen­schaftlerin an der IRIS-Beamline. Denn bisher war eine der Haupthürden bei der Entwicklung von Hochleistungs­verbundwerk­stoffen die Tatsache, dass sich mit steigender Konzentration der Nanopartikel die Protonenleitfähigkeit verringert. Die höhere Protonen­leitfähigkeit könnte eine bessere Ladungs­träger­mobilität ermöglichen und damit die Effizienz der Direkt­ethanol-Brenn­stoffzelle erhöhen. „Diese Komposit­membran kann durch Schmelz­extrusion hergestellt werden, was ihre Herstellung im indus­triellen Maßstab ermöglichen würde“, sagt Matos.

HZB / JOL

Weitere Infos

 

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Jobbörse

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin
Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin

Freiburg, 13.-14.03.2024, Berlin, 19.-21.03.2024
Die Präsentationen dauern jeweils eine Stunde, am Ende der Veranstaltung ist Zeit für Q&A eingeplant.

Meist gelesen

Themen