Brennstoffzellen: Polymere, Platin und ein Posterpreis

Posterpreis M. Khaneft Dr. Marina Khaneft bekam während des European Fuel Cell Forum den Christian Friedrich Schönbein Preis für das beste Poster. © EFCF

Dr. Marina Khaneft bekam während des European Fuel Cell Forum den Christian Friedrich Schönbein Preis für das beste Poster. © EFCF

Letzten Sommer hat Marina Khaneft für ihren Beitrag den Posterpreis beim 5th European Fuel Cell Forum (EFCF2015) bekommen, jetzt ist der dazu gehörige ausführliche Bericht zu den katalytischen Schichten von Hochtemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzellen online erschienen: M. Khaneft et al., Structure and Proton Dynamics in Catalytic Layer of HT‐PEFC, Fuel Cells 2016.

Brennstoffzellen sind natürlich auch am MLZ ein wichtiges Forschungsgebiet und werden zusammen mit Kollegen vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) des Forschungszentrum Jülich untersucht. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff im Herzen der Brennstoffzelle, der Membran-Elektrodeneinheit, in elektrische Energie um. Die Membran dieser Einheit ist mit den Elektroden aus nanoporösem Kohlenstoff und Platinpartikeln beidseitig beschichtet. Dieser Typ Brennstoffzelle ist vielseitig einsetzbar, hat aber gravierende Nachteile: Kühlung und Wassermanagement sind aufwändig und der Katalysator reagiert empfindlich auf Kohlenmonooxid. Diese Nachteile sind beseitigt bei der so genannten Hochtemperaturvariante (HT‐PEFC), die bei Temperaturen von 160-180 ºC arbeitet.

Spheresdetektor Das Instrument SPHERES ist weltweit eines der besten Rückstreuspektrometer, geeignet z.B. für hochauflösende Messungen von Protonendiffusion. © Astrid Eckert / TUM

Das Instrument SPHERES ist weltweit eines der besten Rückstreuspektrometer, geeignet z.B. für hochauflösende Messungen von Protonendiffusion. © Astrid Eckert / TUM

Die Autoren der Studie haben die Strukturen und die Protonendiffusion mit Hilfe quasielastischen Neutronenstreuung (QENS) genauer untersucht, um heraus zu finden, wie man durch die Zusammensetzung der katalytischen Schichten auf den Membranen den Wirkungsgrad verbessern könnte. Wesentlich bei der Betrachtung sind die Protonenleitung in der Phosphorsäure, die in der Elektrodenschicht vorhanden ist, und der Zusammenhang zur Platinkonzentrationen des Katalysators. Für diese Untersuchung ist QENS am Instrument SPHERES eine ideale Methode.

Die Protonendiffusion, die die Leitfähigkeit im System bestimmt, hängt von der Katalysatorkonzentration ab. Phosphorsäure scheint von den Platin-Partikeln „gefangen“ zu werden. Die Ergebnisse zeigen, dass man mit Neutronenstreuung Details der Funktionsweise von Brennstoffzellen untersuchen kann, die mit anderen Techniken nicht zugänglich sind, und auf diese Weise die Optimierung der einzelnen Komponenten der Brennstoffzelle für eine längere Lebensdauer und bessere Effizienz vorantreiben kann.