19.02.2021 - Incheon National University

Treibstoff für die Zukunft: Neuartige Zwei-Polymer-Membran steigert die Leistung von Wasserstoff-Brennstoffzellen

Wissenschaftler kombinieren Materialien mit gegensätzlichen Eigenschaften mit einer einzigartigen Methode, um eine robuste und leistungsstarke Brennstoffzellenmembran für die Wasserstoffproduktion zu entwickeln

Ein beträchtlicher Teil der Bemühungen zur Verwirklichung einer nachhaltigen Welt ist in die Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen geflossen, damit eine Wasserstoffwirtschaft erreicht werden kann. Brennstoffzellen haben entscheidende Vorteile: hohe Energieumwandlungswirkungsgrade (bis zu 70%) und ein sauberes Nebenprodukt, Wasser. In den letzten zehn Jahren haben Anionenaustauschmembran-Brennstoffzellen (AEMFC), die chemische Energie durch den Transport von negativ geladenen Ionen (Anionen) durch eine Membran in elektrische Energie umwandeln, aufgrund ihrer geringen Kosten und relativen Umweltfreundlichkeit im Vergleich zu anderen Brennstoffzellentypen viel Aufmerksamkeit erhalten. Doch obwohl sie kostengünstig sind, leiden AEMFCs unter mehreren großen Nachteilen, wie z.B. der geringen Ionenleitfähigkeit, der geringen chemischen Stabilität der Membran und einer insgesamt niedrigeren Leistungsrate als ihre Gegenstücke. In einer Studie, die im Journal of Materials Chemistry A veröffentlicht wurde, berichten koreanische Wissenschaftler nun über eine neuartige Membran, die sowohl dünn als auch stabil ist und diese Nachteile ausgleicht.

Für die Entwicklung ihrer Membran nutzten die Wissenschaftler eine neuartige Methode: Sie verbanden zwei kommerziell erhältliche Polymere, Poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylenoxid) (PPO) und Poly(styrol-b-(ethylen-co-butylen)-b-styrol) (SEBS), chemisch ohne Verwendung eines Vernetzungsmittels. Professor Tae-Hyun Kim von der Incheon National University, der die Studie leitete, erklärt: "In einer früheren Studie wurde ein ähnlicher Versuch unternommen, Anionenaustauschermembranen (AEMs) durch Vernetzung von PPO und SEBS mit Diamin als Vernetzungsmittel herzustellen. Während die AEMs eine ausgezeichnete mechanische Stabilität aufwiesen, könnte die Verwendung von Diamin zu anderen Reaktionen als zwischen PPO und SEBS geführt haben, was es schwierig machte, die Eigenschaften der resultierenden Membran zu kontrollieren. Daher haben wir in unserer Studie PPO und SEBS ohne Vernetzer vernetzt, um sicherzustellen, dass nur PPO und SEBS miteinander reagieren." Die von Prof. Kims Team angewandte Strategie beinhaltete auch die Zugabe einer Verbindung namens Triazol zu PPO, um die Ionenleitfähigkeit der Membran zu erhöhen.

Die mit dieser Methode hergestellten Membranen waren bis zu 10 μm dünn und wiesen eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit, chemische Stabilität und Leitfähigkeit selbst bei einer Raumfeuchtigkeit von 95 % auf. Diese Eigenschaften verleihen der Membran und der entsprechenden Brennstoffzelle, an der die Wissenschaftler ihre Membran testeten, eine hohe Gesamtleistung. Im Betrieb bei 60 °C zeigte diese Brennstoffzelle 300 Stunden lang eine stabile Leistung mit einer maximalen Leistungsdichte, die die von existierenden kommerziellen AEMs übertraf und mit den modernsten AEMs mithalten konnte.

Aufgeregt über die Zukunftsaussichten dieser neuen, vielversprechenden AEM sagt Prof. Kim: "Die Polymerelektrolytmembranen in unserer Studie können nicht nur in Brennstoffzellen zur Energieerzeugung eingesetzt werden, sondern auch in der Wasserelektrolyse-Technologie, die Wasserstoff produziert. Daher glaube ich, dass diese Forschung eine wichtige Rolle bei der Wiederbelebung der heimischen Wasserstoffwirtschaft spielen wird."

Vielleicht ist die saubere und grüne Welt, die wir uns vorstellen, nicht mehr weit entfernt!

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