Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Brennstoffzellen mit PFIA-Membranen

19.12.2016

Experimente an BESSY II zum Wassermanagement geben Hinweise auf weitere Optimierung von Brennstoffzellen 

Ein Team am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und eine Forschergruppe der Firma 3M haben untersucht, wie eine Protonen-Austauschmembran aus so genannten PFIA-Molekülen (Perfluoroimid-Säure) funktioniert. Mit Experimenten an der Infrarot-Beamline an der Synchrotronquelle BESSY II konnten sie zeigen, wie PFIA-Moleküle selbst bei geringer Feuchtigkeit Wasser einlagern und transportieren können. Dies erklärt, warum PFIA-Membranen – anders als die bislang am meisten genutzten NAFIONTM-Membranen – auch bei höheren Temperaturen und trockenen Bedingungen gut funktionieren.


Die PFIA-Moleküle ordnen sich mit ihrem wasserabweisenden Rückgrat (schwarze Linie) so an, dass die wasserfreundlichen Seitenketten zueinander zeigen und nanometergroße Wasserkanäle bilden: Jede Seitenkette besitzt dabei zwei Andockstellen (gelbe und rote Kreise) für Wasserstoff-Ionen (H+). Diese Andockstellen bestehen aus Säuregruppen, die in der Lupe gezeigt werden. Bild: Heike Cords/HZB

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff oder Methan in elektrische Energie um. Die Technologie ist nicht nur effizient, sondern auch sauber, denn als „Abgas“ entsteht nur Wasser. Im Kern besteht die Brennstoffzelle aus einer Protonen-Austauschmembran, die nur die winzigen Wasserstoff-Ionen (Protonen) durchlässt, die zur Kathode wandern.

Sauerstoff-Atome und Wasserstoffatome blockiert sie. Bislang werden vor allem NAFION-Membranen eingesetzt, die aber nur bei einer bestimmten Feuchtigkeit und Temperaturen unterhalb von etwa 90°C funktionieren. Dies begrenzt jedoch bisher den Einsatzbereich von Brennstoffzellen.

Daher wird nach Alternativen gesucht. Seit einiger Zeit hat die Firma 3M eine preisgünstige Protonen-Austauschmembran, entwickelt, die mit PFIA abgekürzt wird: PFIA steht für Perfluoroimid-Säure. PFIA-Membranen können auch bereits in Brennstoffzellen eingesetzt werden. Sowohl NAFION- als auch PFIA-Moleküle besitzen ein wasserabweisendes “Rückgrat“, an das wasserliebende Seitenketten angeheftet sind. Während die Seitenketten bei NAFION nur eine Andockstelle für Protonen bieten, besitzen die PFIA-Seitenketten zwei solcher Andockstellen.

Dadurch gibt es je Seitenkette einen zusätzlichen Platz für ein Proton. Außerdem können PFIA-Moleküle von selbst nanometergroße Kanäle bilden, in denen Wasser gebunden oder befördert werden kann. Wie aber dieses Wassermanagement in einer PFIA-Membran genau abläuft, war bisher nicht bekannt. Dabei ist dieses Wassermanagement von entscheidender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit einer Brennstoffzelle, die nie zu feucht aber auch niemals zu trocken werden darf.

Nun hat eine Gruppe am HZB erstmals PFIA-Proben der Firma 3M bei unterschiedlichen Feuchtigkeits- und Temperaturbedingungen untersucht. Sie kombinierten dafür Infrarot-Spektroskopie-Methoden an BESSY II und werteten die Daten mit aufwändigen statistischen Analysen aus. “Wir wollten das Verhalten von Wassermolekülen und Wasser im Inneren der Nanokanäle der Membran besser verstehen, vor allem beim Übergang zu trockeneren Bedingungen”, erklärt Dr. Ljiljana Puskar, die Erstautorin der Arbeit, die nun in der Fachzeitschrift Physical Chemistry/Chemical Physics erschienen ist.

Die experimentellen Daten belegen sehr große Unterschiede im Wassermanagement zwischen NAFION und PFIA, insbesondere bei geringer Feuchtigkeit: “Wir können deutlich sehen, dass PFIA sowohl bei der Rückhaltung von Wasser als auch bei der Aufnahme von Wasser besser funktioniert“, sagt Puskar. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konnten sogar entschlüsseln, wie die PFIA-Membran Wasser speichert: Denn durch die zusätzlichen Andockstellen für Protonen an den Seitenketten lagern sich dort ebenfalls Wassermoleküle an und bauen über Wasserstoffbrückenbindungen ein Netz auf, das weitere Wassermoleküle einbindet.

Diese Ergebnisse helfen dabei, solche Membranen zu optimieren, so dass Brennstoffzellen auch bei höheren Temperaturen und geringerer Feuchtigkeit noch effizient arbeiten und breiter eingesetzt werden können. „In dieser Arbeit haben wir zusammen mit 3M einen großen Erkenntnisfortschritt erreicht, was das Wassermanagement in alternativen Protonen-Austauschmembranen angeht. Wir werden an den Infrarot-Beamlines von BESSY II die experimentellen Möglichkeiten noch um operando Infrarot-Spektroskopie und Mikroskopie erweitern, um ein breites Spektrum von Energie-Materialien unter Betriebsbedingungen zu untersuchen“, sagt Prof. Dr. Emad Aziz, der das HZB-Institut für Methoden der Materialentwicklung leitet.

Publikation: INFRARED DYNAMCIS STUDY OF THERMALLY TREATED PERFLUOROIMIDE ACID PROTON EXCHANGE MEMBRANES; L. Puskar, E. Ritter, U. Schade, M. Yandrasits, S. J. Hamrock, M. Schaberg, and E. F. Aziz. Phys. Chem. Chem. Phys., 2017, DOI: 10.1039/C6CP06627E

Dr. Ina Helms | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH
Weitere Informationen:
http://www.helmholtz-berlin.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Kleine Strukturen – große Wirkung
21.11.2017 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

nachricht Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen
20.11.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Tagung widmet sich dem Thema Autonomes Fahren

21.11.2017 | Veranstaltungen

Neues Elektro-Forschungsfahrzeug am Institut für Mikroelektronische Systeme

21.11.2017 | Veranstaltungen

Raumfahrtkolloquium: Technologien für die Raumfahrt von morgen

21.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wasserkühlung für die Erdkruste - Meerwasser dringt deutlich tiefer ein

21.11.2017 | Geowissenschaften

Eine Nano-Uhr mit präzisen Zeigern

21.11.2017 | Physik Astronomie

Zentraler Schalter

21.11.2017 | Biowissenschaften Chemie