Einfluss neuer Membranmaterialien auf Herstellung und Betrieb von Direktmethanol-Brennstoffzellen

Die Energiepolitik steht vor der Aufgabe den Konflikt zwischen steigendem Energiebedarf pro Kopf bei gleichzeitigem Anstieg der Weltbevölkerung und kosteneffizienter Energieproduktion zu lösen. Diesem Konflikt klimafreundlich zu begegnen stellt eine Herausforderung für die Energieforschung dar. Die Verwendung von Brennstoffzellen kann dazu beitragen, diesen Konflikt zu lösen, da diese eine besonders effiziente Energiewandlung erlauben. In Brennstoffzellen wird die in einem Brennstoff gespeicherte Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Es wird nicht der Umweg über eine thermische Energiewandlung genutzt, so dass der Carnot-Wirkungsgrad nicht der limitierende Faktor der Umwandlung ist. Bei Direktmethanol-Brennstoffzellen (englisch Direct Methanol Fuel Cell: DMFC) handelt es sich um Energiewandler, die den flüssigen Brennstoff, Methanol, direkt in elektrische Energie umwandeln. Die Betriebsstoffe werden dabei von außen zu- beziehungsweise nach außen abgeführt, so dass ein kontinuierlicher Energiewandlungsprozess in der Brennstoffzelle ermöglicht wird. Der Vorteil der DMFC gegenüber wasserstoffbetriebenen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFCs) ist die einfache Speichermöglichkeit des bis 65 °C Umgebungstemperatur flüssigen Methanols. Außerdem weist Methanol bei Raumtemperatureinen volumetrischen Energieinhalt von 15,9 MJ/l auf, während gasförmiger Wasserstoff bei einem Druck von 700 bar nur einen volumetrischen Energieinhalt von 4,7 MJ/l besitzt. Im Gegensatz zu wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellen zielt die Forschung bei einer DMFC nicht nur auf die Erhöhung der Zellspannung der Brennstoffzelle ab, sondern auch auf die Reduzierung der Methanolpermeation, dem unerwünschten Methanoldurchtritt durch die Elektrolytmembran. Aufgrund der Methanolpermeation beläuft sich der Brennstoffnutzungsgrad einer auf dem Stand der Technik beruhenden DMFC auf rund 75 %. Eine Möglichkeit die Permeation zu reduzieren ist die Nutzung alternativer Membranmaterialien anstelle der momentan für die DMFC gebräuchlichen Nafionmembran aus der Gruppe der PFSA Membranen (englisch: perfluorosulfonic acid membranes). Aus der Vielfalt erhältlicher Membranmaterialien haben sich sulfonierte Poly(Aryl Äther Äther Nitril), kurz sPAEEN (englisch: Poly(Aryl Ether Ether Nitrile)), Membranen als vorteilhaft herausgestellt. Diese Membranen weisen aufgrund von intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Nitrilgruppen trotz hoher Sulfonierungsgrade eine geringe Wasseraufnahme auf. Somit ist die Präparation von Membranen mit hoher Protonenleitfähigkeit und geringer Methanolpermeation möglich. Ziel dieser Arbeit ist die Beurteilung von sPAEEN Membranen hinsichtlich ihres Potentials für den Einsatz in einer DMFC. Um das Potential der sPAEEN Membranen vollständig bewerten zu können, ist es notwendig die Membraneigenschaften und die elektrochemischen Eigenschaften gemeinsam zu betrachten. Erst durch den Betrieb der sPAEEN Membranen in einer DMFC Zelle können für den Einsatz im Brennstoffzellensystem wichtige Kennwerte wie Zellspannung, Wasserpermeation und Methanolpermeation ermittelt werden. Anhand dieser Daten wird der Einfluss der Membranen auf die Wirkungsgrade, die Energieeffizienz und die Einsatzbedingungen des Systems bewertet. Zusätzlich werden die Membranen mit dem Standardmaterial Nafion verglichen, um Vor- und Nachteile und geeignete Einsatzmöglichkeiten in einer DMFC abzuschätzen. [...