Kein Durchlass für Ethanol – Neue Kompositmembran für Brennstoffzelle

Aufgrund des hohen Wirkungsgrads und nahezu emissionsfreier Betriebsweise gelten Brennstoffzellen als Zukunftstechnologie für die Stromversorgung elektrischer Geräte.

Im Gegensatz zu Wasserstoff ist Ethanol ungiftig, flüssig, umweltfreundlich – auch aus nachwachsenden Rohstoffen biotechnologisch – herzustellen und sicher anzuwenden. Ethanol gilt daher als idealer Brennstoff, um Brennstoffzellen den Durchbruch in Massenmärkte zu ermöglichen. Die Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle (direct ethanol fuel cell, DEFC) setzt Ethanol direkt an der Elektrode elektrokatalytisch um.

Für die Leistungsfähigkeit der DEFC spielt die Membran, welche die beiden Kammern der Brennstoffzelle voneinander trennt, eine entscheidende Rolle. Herkömmlich verwendete Membranen transportieren nicht nur Protonen, sondern auch Ethanol von der Anode durch die Membran zur Kathode. Dieser Verlust von Ethanol wird als Cross-Over bezeichnet. Er führt dazu, dass Wirkungsgrad und Leistung der Brennstoffzelle verringert werden.

Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB haben eine Membran entwickelt, bei der das Cross-Over von Ethanol um den Faktor 100 reduziert wird. Möglich wird dies dadurch, dass die Polymermembran mit einer zweiten, anorganischen Komponente versehen wird. „Die anorganischen Füllstoffe wirken als Barriere gegenüber Ethanol, beieinträchtigen die Protonenleitfähigkeit der Membran aber nicht“, sagt Dr. Thomas Schiestel, Projektleiter am Fraunhofer IGB. Als anorganische Komponente setzen die Wissenschaftler Silica-Nanopartikel ein, kleinste Kügelchen aus Siliziumdioxid. Die Zugabe einer weiteren anorganischen Komponente bewirkt, dass die Sillica-Nanopartikel sich quervernetzen und die Membran weniger stark quillt. So wird die Membran mechanisch stabiler und gegenüber hohen Temperaturen unempfindlicher.

Die Arbeiten zur Membranentwicklung für die DEFC sind eingebettet in das Fraunhofer-Team Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle. Ein erster Prototyp der DEFC enthält neben der Kompositmembran auch einen optimierten Katalysator.

Die DEFC-Membran ist ein Beispiel für neuartige Membranen, die am Fraunhofer IGB entwickelt werden. Technische Membranen sind das Werkzeug der Wahl, wenn es um die Trennung von Stoffgemischen geht. Auch für Hochtemperaturanwendungen (H2- und O2-Gasgewinnung bzw. -Reinigung, Reformierung, Membranreaktoren), die Filtration aggressiver Medien und die Medizintechnik (biokompatible oder bioabbaubare Membranen) bieten die Wissenschaftler innovative Membrantechnik an.