„Turbolader“ für Brennstoffzellen

Wasserstoff und Brennstoffzellen haben das Potenzial, das globale Transportwesen zu revolutionieren, nur scheitert es bislang an den Kosten. Aufgrund der verwendeten Metalle wie Platin sind Brennstoffzellen bislang zu teuer für den Massenmarkt. Ein neuartiger „Turbolader“ auf Polymerbasis könnte dies ändern.

Unter Leitung von Miguel Modestino, Professor für chemische und biomolekulare Technik an der New York University (NYU), entwickelte ein Forscherteam einen neuartigen Polymer-Verbundwerkstoff. Dieser kann sowohl die Leistung steigern als auch die Kosten für Brennstoffzellen senken. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten sie unter dem Titel „Hochpermeable perfluorierte Sulfonsäure-Ionomere für verbesserte elektrochemische Geräte“ im Journal of the American Chemical Society.

Brennstoffzellen behindern sich selbst

Aus dem Auspuff von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen gelangt lediglich Wasserdampf in die Atmosphäre. Andere Emissionen gibt es nicht. Um aus Wasserstoff und Sauerstoff in einer kontrollierten Reaktion Energie zu erzeugen, benötigen Brennstoffzellen jedoch meist teure Materialien wie Platin und besondere Ionen-leitende Membranen, die gleichzeitig den Prozess selbst behindern.

Miguel Modestino (rechts), Professor für chemische und biomolekulare Technik an der New York University (NYU), und Doktorand Adlai Katzenberg. Foto: NYU Tandon School of Engineering

Wasserstoff-Brennstoffzellen bestehen im Wesentlichen aus einer Anode und einer Kathode, zwischen denen sich eine Elektrolytmembran befindet. Wenn Wasserstoff in der Anode und Luftsauerstoff in der Kathode miteinander reagieren, wird chemische in elektrische Energie umgewandelt, die beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden kann.

Innerhalb der Brennstoffzellen befinden sich zudem Ionen-leitende Polymere (Ionomere), um die Protonen zu den Reaktionsstellen zu bringen. Der technische Aufbau erfordert, dass der Sauerstoff aus der Luft durch die Ionomere hindurchdringen muss, um die Strom erzeugende Reaktion zu ermöglichen.

Die derzeit im Handel erhältlichen Ionomere sind typischerweise perfluorierte Sulfonsäure (PFSA)-Polymere. Diese weisen ein lineares, kettenförmiges Rückgrat aus einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Matrix mit Sulfonsäuregruppen auf, die die Ionenleitfähigkeit sichert. Diese Teflon-ähnliche Kombination besitzt eine hohe mechanische Festigkeit, behindert jedoch den Sauerstofftransport, was zu erheblichen Energieverlusten der Brennstoffzellen führt.

Polymer-Verbundwerkstoff verbessert Sauerstoffaufnahme

Die Forscher um Modestino lösten mehrere Probleme auf einmal, indem sie die linearen PTFE-Polymerketten durch eine sperrige fluorierte Kette ersetzten, die der Matrix mehr freies Volumen verleiht. Durch den frei werdenden Raum konnte der Transport von Sauerstoff in die Brennstoffzellen erheblich verbessert werden.

Die Forscher entwickelten ein Hypridwerkrstoff, der aus einem Ionen-leitenden Polymer und einer hochpermeablen Matrix besteht. Foto: NYU Tandon School of Engineering

Modestino sagte, dass das Hybridmaterial aus einem ionenleitenden Polymer und einer hochpermeablen Matrix besteht. „Wir haben ein neuartiges Copolymer [aus] zwei miteinander verbundene Komponenten geschaffen“, erklärte er. „Ein Teil leitet Ionen, der andere ist hochgradig sauerstoffdurchlässig.“

Die verbesserte Sauerstoffaufnahme erhöht die Leistung der Brennstoffzellen, sodass Entwickler bei gleicher Leistungsabgabe auf einen Teil der teuren Materialien verzichten können. Gleichzeitig führt weniger Platin zu sinkende Kosten, die wiederum die Anwendungshäufigkeit und die Akzeptanz der Endverbraucher erhöhen können.