Untersuchungen zur Plasmapolymerisation und zur Methanol-Diffusion ionenleitender Polymerelektrolytmembranen

In jüngerer Zeit hat die Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle eine rasante Entwicklung erfahren. Für eine breite Markteinführung muß aber der Membranpreis noch drastisch gesenkt werden. Bei der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) verursacht die Methanol-Permeation durch die Membran Leistungsbußen. Hier sind Membranen mit geringerer Methanoldurchlässigkeit bei gleichzeitig hoher Protonenleitfähigkeit erwünscht. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung protonenleitender Membranen durch die Plasmapolymerisationsverfahren. Darüber hinaus sollte überprüft werden, inwieweit sich diese Membranen als Methanolbarriere eignen. Die Membranen wurden als dünne Filme direkt aus der Gasphase abgeschieden, indem ein PTFE-Target mit Hilfe eines Ionenstrahls zerstäubt wurde. Dabei verbinden sich freigesetzte Sekundärteilchen z.B. mit Schwefeldioxid und repolymerisieren anschließend als Film auf einem Substrat. Massenspektrometrische Untersuchungen zeigten, daß Schwefeldioxid im Plasma reduziert wird und nicht die gewünschte Oxidation zur Sulfonsäuregruppe erfährt. Deshalb wurden sechswertige Schwefel-Sauerstoff-Verbindungen vorgelegt und die Polymerisation unter schonenden Bedingungen durchgeführt. Die besten ionischen Leitfähigkeiten (>10 hoch minus 4 S/cm) zeigten Membranen, die mit Chlorsulfonsäure plasmapolymerisiert wurden. In dünnen Schichten auf Nafion eignen sich diese Plasmapolymere als wirksame Methanolbarriere. Durch die Beschichtung konnte der diffusive Methanoltransport im Verhältnis zum Protonentransport zurückgedrängt werden. Derartige Verbund-Membranen sollten in der DMFC Einsatz finden