Strukturierte Hybridmembranen für Brennstoffzellen im Betriebstemperaturbereich von 25 - 220°C

• Antragsteller: Dr. Vladimir Atanasov; Professor Dr. Joachim Bill
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549392197

Die Brennstoffzellentechnologie ist eine vielversprechende Alternative zu verbrennerbasierten Energiequellen für mobile und stationäre Anwendungen. Heutzutage können Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMBZ) effektiv zwischen 120 und 200°C betrieben werden. Ihr Einsatz in einem erweiterten Betriebstemperaturbereich kann durch die Variation von deren Struktur und Zusammensetzung erreicht werden. Daher ist das Ziel unseres Projekts die Entwicklung von phosphorsäurehaltigen (PS) HT-PEMBZ, die auf einer strukturierten organisch-anorganischen protonenleitenden Hybrid-Membran basieren. Sie sollten eine Betriebstemperatur von Raumtemperatur bis zu 220°C und eine verbesserte thermische und mechanische Stabilität aufweisen. Zu diesem Zweck werden neuartige hitzebeständige Ionenpaar-Polymere verwendet, die stark mit PS wechselwirken können. Um die PS-Retention in der Membran zu verbessern, ist die Modifizierung von Polymeren mit dauerhaft geladenen, anionenaustauschenden funktionellen Gruppen vorgesehen. Um die mechanische und thermische Stabilität zu erhöhen, werden anorganische Protonenleiter in die Polymermembran eingebaut. Die anorganische Phase, die aus anisotropen Partikeln (Fasern oder Schichtstrukturen) besteht, soll unter Anwendung verschiedener Ausrichtungsverfahren quer zur Membran ausgerichtet werden. Es wird erwartet, dass die lokalen Kontakte zwischen den ausgerichteten Strukturen verbessert werden, sodass die Verringerung der Länge der Protonenpfade zwischen den Elektroden zu erhöhten Leitfähigkeiten führen wird. Auch bei den Elektrodenbindern sollen Innovationen erreicht werden. Phosphonierte Polymere haben eine gute und stabile Leistung in HT-PEMBZ-Anwendungen gezeigt. Zusätzlich zu diesen Ionomeren werden neuartige Katalysatorbindemittel auf der Grundlage der neuen Polyelektrolyte für die Anoden- und Kathodenseite der Brennstoffzellen getestet und optimiert. Durch die Verwendung ähnlicher Materialien in der Membran und den Elektroden sollen die Leitfähigkeit und die Migration der Protonen von den Gasdiffusionselektroden (GDEs) zur Membran positiv beeinflusst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen