Nanostrukturierte Membranen in Brennstoffzellen
Vor diesem Hintergrund untersuchte das EU-finanzierte Projekt ZEOCELL die Eigenschaften mehrerer multifunktionaler nanostrukturierter Materialien in Bezug auf den Hochtemperatureinsatz. ZEOCELL sollte eine ionische Leitfähigkeit in Brennstoffzellmembranen von gleich oder größer als 100 Millisiemens (mS)/cm bei gleichzeitig guter chemischer, mechanischer und thermischer Stabilität realisieren. Weitere wichtige Eigenschaften sind eine Haltbarkeit für mindestens 1 000 Betriebsstunden bei Temperaturen von 130 bis 200 ºC, eine geringe Wanderung des Brennstoffs durch die Polymermembran (Cross-Over) und Herstellungskosten unter 400 EUR/m2. Zu diesem Zweck entwickelte ZEOCELL sieben Elektrolytmembranzusammensetzungen unter Einsatz verschiedener Materialien und untersuchte diese gründlich. Dabei handelte es sich um poröses Poly-Benzimidazol (PBI), protische ionische Flüssigkeiten (PIL) und mikroporöse Zeolithe/Zeotypen. Man bewertete eingehend das morphologische, physikalisch-chemische, mechanische und elektrochemische Verhalten. Die Polymermembran-Architektur hat entscheidende Bedeutung für den Protonentransport. Daher wurden zur Unterstützung der Protonenleitfähigkeit PBI-Filme mit zufälligen und geraden Poren entwickelt. Geeignete Funktionalisierungsprotokolle für mikroporöse Materialien wurden unter Einsatz von Pfropfungs- und Filmbildungsverfahren erstellt. Auch weitere, die Leistung beeinträchtigende Aspekte wurden mittels Phosphorsäuredotierung, PIL-Einbettung und das Zufügen anorganischer Füllstoffe wie etwa mikroporöser Zeolithen und Titansilikatnanokristallen untersucht. Filme aus polymeren ionischen Flüssigkeiten auf zufällig verteilten porösen PBI-Supports zeigten nach 1 000 Betriebsstunden die besten Leitfähigkeitseigenschaften (über 275 mS/cm). Die Hybridmembranen basierten auf säuredotiertem porösem PBI. So konnten mit Erfolg mikroporöse Materialien mit guter Leitfähigkeit entwickelt werden. Auch die Cross-Over-Eigenschaften des Brennstoffs waren ausreichend. ZEOCELL gelang ein erfolgreicher Machbarkeitsnachweis und die Demonstration der überlegenen Leistungsfähigkeit im Vergleich zu kommerziellen Membran-Elektroden-Einheiten. Es sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um die Haltbarkeit zu steigern und die Wanderung des Brennstoffs durch die Polymermembran (Cross-Over) bei Temperaturen von mehr als 120 °C durch Elektrodenoptimierung und Verbesserungen an den Brennstoffzellkomponenten zu verringern. Kostenbewertung und Wirtschaftlichkeitsanalyse sehen für Anwendungen in Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungen und Notstromversorgung für Telekommunikationsanwendungen vielversprechend aus. Massengefertigte Hochtemperatur-PEMFC werden nach der Lösung der Probleme mit der Haltbarkeit auf dem globalen Markt wettbewerbsfähig sein. Die ZEOCELL-Materialien könnten auch bei der Gas- und Flüssigphasentrennung, in Lithium-Ionen-Batterien, bei Adsorption und Katalyse sowie Mikrobrennstoffzellen und Chiplabor-Bauelementen Anwendung finden.
