Mehr Strom aus Brennstoffzellen

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.

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

• Originalveröffentlichung
  B. R. Matos et al.: Properties and DEFC tests of Nafion - Functionalized titanate nanotubes composite membranes prepared by melt-extrusion, J. Memb. Sci. 604, 118042 (2020); DOI: 10.1016/j.memsci.2020.118042
• Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares, IPEN-CNEN/SP, São Paulo, Brasilien
• Lokal Empfindliche und Zeitaufgelöste Spektroskopie, Helmholtz Zentrum Berlin