In den letzten Jahren hat sich das Interesse an der Entwicklung neuer Membranen für Brennstoffzellen verstärkt, die sowohl hohe chemische Stabilität als auch gute Leistungseigenschaften aufweisen. Ein bemerkenswerter Fortschritt auf diesem Gebiet war die Verwendung von strahlenmodifizierten Fluorpolymeren, insbesondere von ETFE (Ethylen-Tetrafluorethylen), die in verschiedenen Anwendungen als Anionen-Austauschmembranen (AEMs) eingesetzt werden. Diese Membranen bieten eine vielversprechende Alternative zu den konventionellen Protonen-Austauschmembranen, wie Nafion, da sie nicht nur die chemische Beständigkeit erhöhen, sondern auch die Effizienz von Brennstoffzellen bei verschiedenen Betriebsbedingungen verbessern.

Ein herausragendes Beispiel ist die Anwendung von sulfonierten ETFE-Filmen in Direct Methanol Fuel Cells (DMFCs), die eine wesentlich geringere Methanolpermeabilität aufwiesen als die Nafion-Membranen und gleichzeitig eine bessere Leistung bei hohen Methanol-Konzentrationen zeigten. In der Untersuchung von Saarinen et al. wurde der ETFE-Film zunächst einer Protonenstrahlenbehandlung unterzogen, um die Funktionalisierung zu aktivieren. Dies führte zu einer signifikanten Verbesserung der Eigenschaften der Membran, wie einer reduzierten Methanolpermeabilität, die nur weniger als 2 % der Permeabilität von Nafion ausmachte. Diese Methode zeigte das Potenzial, Membranen mit verbesserter Leistung bei hochkonzentrierten Methanolversorgungen zu entwickeln.

Ein weiterer bedeutender Schritt in der Forschung war die Entwicklung von ETFE-Membranen, die mit neutralen Acrylmonomeren wie 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) und 2-Hydroxyethylacrylat (HEA) graftiert wurden. Diese Membranen zeigten nicht nur eine hervorragende chemische Beständigkeit, sondern auch eine hohe Leistung bei Temperaturen bis zu 120°C in Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen. Der maximale Grad der Graftung betrug 193 %, was zu einer bemerkenswerten Leistungsdichte von 108 mW/cm² und einer Stromdichte von 200 mA/cm² führte. Die Forschung zeigt, dass die Graftung von ETFE mit solchen Monomeren eine effiziente Methode zur Herstellung von Membranen mit verbesserter Stabilität und Leistung unter extremen Betriebsbedingungen darstellt.

Neben den Fortschritten bei den Fluorpolymeren hat sich auch die Forschung zu alkalischen Brennstoffzellen (AEMFCs) weiterentwickelt. In einer Studie von Yu und Scott wurden kommerzielle AEM-Membranen (Morgane® ADP) untersucht, die im Vergleich zu Nafion eine geringere Leistung aufwiesen, aber durch bestimmte Verbesserungen, wie etwa die Eliminierung von Gasdiffusionslagen (GDLs) und die Befeuchtung der Luftzufuhr an der Kathode, konnte die Leistung der Brennstoffzelle verbessert werden. Trotz dieser Verbesserungen zeigte die Morgane-Membran eine starke chemische Instabilität in alkalischen Umgebungen, was auf die Notwendigkeit weiterer Verbesserungen in der Stabilität und der Chemie der AEM-Membranen hinweist.

Die Strahlenmodifikation von AEM-Membranen hat sich als eine vielversprechende Methode zur Verbesserung der langfristigen Stabilität und der Leistungsfähigkeit herausgestellt. Eine solche Technologie wurde von Slade et al. in einer Reihe von Experimenten mit FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen) und ETFE-basierten AEMs eingesetzt. Durch die Strahlenbehandlung und anschließende Graftung mit Monomeren wie Vinylbenzylchlorid (VBC) und Aminierung mit Trimethylamin (TMA) konnte die Ionenkondduktivität der Membranen signifikant erhöht werden. Diese Membranen zeigten eine ausgezeichnete Leistung in Brennstoffzellen bei Temperaturen bis zu 100°C und eine hohe Beständigkeit gegenüber alkalischen Bedingungen. Es wurde festgestellt, dass Membranen auf ETFE-Basis, insbesondere solche mit Quaternierung, eine höhere Stabilität und bessere Leistung bei AEMFCs aufwiesen als herkömmliche FEP- und PVDF-basierte Membranen.

Die Verfestigung der chemischen Stabilität in solchen Membranen, insbesondere bei der Exposition gegenüber aggressiven Umgebungen wie starken Laugen (KOH-Lösungen), spielt eine entscheidende Rolle für die Langzeitleistung. So zeigte die Kombination von Graft-Monomeren und Quaternierungsbehandlungen, dass die Alkali-Stabilität signifikant verbessert wurde. Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die chemische Beständigkeit, sondern auch auf die Stromdichte und die Leistungsdichte von Brennstoffzellen, die mit solchen Membranen betrieben werden.

Es wurde auch gezeigt, dass die Auswahl des Kationischen Kopfgruppentypes (wie Benzyltrimethylammonium, Methylpyrrolidinium oder Methylpiperidinium) einen entscheidenden Einfluss auf die Leistung und Stabilität der AEM-Membranen hat. Besonders vielversprechend sind Membranen, die mit Methylpyrrolidinium oder Methylpiperidinium (MPY und MPRD) ausgerüstet sind, da sie eine höhere Alkalistabilität und bessere Leistungsmerkmale in Brennstoffzellen unter feuchten Bedingungen aufweisen. Diese Membranen zeigten eine hohe Leitfähigkeit von OH−-Ionen, was zu einer verbesserten Brennstoffzellenleistung bei höheren Temperaturen führte.

Wichtig ist, dass die Strahlenmodifikation nicht nur die Stabilität der Membranen erhöht, sondern auch die Notwendigkeit für eine Optimierung der Elektrodenarchitektur und der Massentransportprozesse betont. Die Forschung zeigt, dass insbesondere die Membran-Elektroden-Grenzfläche und die Struktur der Elektroden selbst entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle sind. Probleme wie die Elektrodenflutung oder das Austrocknen der Kathode können die Leistung der Zelle signifikant beeinträchtigen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, nicht nur die Membran, sondern auch das gesamte Brennstoffzellensystem zu optimieren.

Wie das Wassermanagement in AEMFCs den Betrieb beeinflusst: Die Herausforderung des Wassertransports und der Hydratation

In der Funktionsweise von Anionen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen (AEMFC) entstehen komplexe Wechselwirkungen zwischen Wasser und Membran, die entscheidend für die Leistung und Effizienz der Zelle sind. An der Anode wird Wasser produziert, wenn Wasserstoffgas (H₂) in Elektronen und Protonen zerlegt wird. Dabei entstehen für jede vier übertragenen Elektronen vier Wassermoleküle. An der Kathode hingegen, wo Sauerstoffgas (O₂) reagiert, werden nur zwei Wassermoleküle verbraucht. Dies führt zu einer Hydrationsdifferenz zwischen den beiden Elektroden. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird Wasser durch elektro-osmotischen Zug von der Kathode zur Anode transportiert. Dabei werden neben Hydroxidionen (OH⁻) auch Wassermoleküle zurückdiffundiert. Diese Prozesse können jedoch zu einem unausgeglichenen Wassertransport führen, was zu einer Überschwemmung der Anode und einer Austrocknung der Kathode führen kann. Eine unzureichende Wasserbalance wirkt sich negativ auf die Leistung der Zelle aus.

Die Herausforderungen des Wassertransports in AEMFCs sind nicht zu unterschätzen. Eine Studie von Eriksson et al. zeigte, dass der Wasserfluss in einer Membran, die mit flüssigem Wasser in Kontakt steht, etwa dreimal größer ist als in einer Membran, die mit Wasserdampf in Kontakt kommt. Der Wassertransport in der Membran wird stark von der angelegten Stromstärke beeinflusst, wobei hohe Stromstärken eine schnellere Wasserproduktion bewirken. Ein Modell zur Berechnung des scheinbaren Wasser-Zug-Koeffizienten ergab, dass der durch den Strom induzierte Wassertransport in die entgegengesetzte Richtung zu den OH⁻-Ionen verläuft. Dies deutet darauf hin, dass die Überschwemmung von Wasser an einer oder beiden Elektroden ein größeres Problem darstellt als die Austrocknung.

Erheblich für das Verständnis des Wasserhaushalts in AEMFCs sind die Ergebnisse von Omasta et al., die betonen, dass das richtige Wasserbalancieren zwischen Membran und Elektroden von entscheidender Bedeutung ist, um die Leistung der Brennstoffzelle zu optimieren. Ihre Untersuchungen belegen, dass AEMFCs im Vergleich zu PEMFCs (Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzellen) mehrere Vorteile bieten, insbesondere hinsichtlich der Kosten und der Skalierbarkeit für den Transportsektor. Sie demonstrierten, dass eine präzise Hydratation der Membran notwendig ist, um Überschwemmungen an den Elektroden zu verhindern, die sowohl an der Anode als auch an der Kathode auftreten können.

In ihrer Arbeit veranschaulichten Omasta et al. auch, dass es einen idealen Punkt für die Luftfeuchtigkeit des Gasgemisches gibt, bei dem das Wasser an der Kathode aufrechterhalten wird und die Membran dennoch ausreichend hydriert bleibt. Dies bedeutet, dass auch bei Gasgemischen mit weniger als 100 % relativer Luftfeuchtigkeit eine ausreichende Feuchtigkeitsversorgung der Membran erreicht werden kann, was eine neue Perspektive für den Betrieb von AEMFCs eröffnet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wasserdiffusion von der Kathode zur Anode eine wesentliche Rolle bei der Balance des Wasserhaushalts spielt. Besonders in Hochleistungsanwendungen müssen Gasgemische optimiert werden, um die Wasserkonditionierung zu maximieren.

Ein weiteres Beispiel für die Bedeutung der Membranfeuchtigkeit liefert die Arbeit von Mandal et al., die die Leistung einer AEM auf Basis von polynorbornene (PNB) mit PTFE-Verstärkung untersuchten. Diese Membran zeigte hervorragende Ergebnisse hinsichtlich der Stromdichte und der Leistungsdichte (PPD) unter H₂/O₂- und H₂/Luft-Gasgemischen. Die Forscher identifizierten die kritische Rolle des Wassertransports zwischen der Wasser erzeugenden negativen Elektrode und der Wasser verbrauchenden positiven Elektrode als einen der wichtigsten Faktoren für die AEMFC-Leistung. Besonders bei sehr dünnen Membranen, die hohe Wasserflussraten begünstigen, konnte eine Minimierung des parasitären Spannungsabfalls und eine hohe Leistung erzielt werden.

Für den Betrieb von AEMFCs ist es entscheidend, die Membran mit den richtigen Feuchtigkeitsbedingungen zu betreiben und den Wassertransport zwischen den Elektroden zu optimieren. Eine zu starke Wasserübersättigung an einer Elektrode oder eine zu geringe Feuchtigkeitsversorgung an der anderen kann die Brennstoffzelle schnell unbrauchbar machen. Daher ist das Wassermanagement ein entscheidender Faktor für die Maximierung der Effizienz und Lebensdauer von AEMFCs.

Die Wasserdiffusion in AEMFCs hat nicht nur Einfluss auf die Leistung der Zelle, sondern auch auf die Wahl der verwendeten Materialien. Eine Membran mit hoher Ionenleitfähigkeit und einer kontrollierten Wasseraufnahmefähigkeit ermöglicht es, sehr hohe ionische Austauschkapazitäten zu erreichen, ohne die mechanische Integrität der Membran zu gefährden. Solche Membranen, die mit minimaler Vernetzung hergestellt werden, sind in der Lage, eine hohe Leistungsdichte zu liefern und gleichzeitig die chemische und physikalische Stabilität während des Betriebs zu gewährleisten.

Für die langfristige Stabilität und hohe Leistung von AEMFCs müssen die Membranen und Elektroden sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, um eine optimale Feuchtigkeit und eine effektive Wasserbalance zu gewährleisten. Weiterhin ist die Auswahl der richtigen Binder-Materialien für die Katalysatorbeschichtung von Bedeutung. Materialien wie Nafion haben sich als geeignet erwiesen, um die Katalysator- und Membranleistung zu verbessern, jedoch stellen sie auch Herausforderungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit des Katalysators dar.

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