Neue Membran holt aus dem Stand etablierte Brennstoffzellen-Technik ein

Für eine zukünftige Wasserstoffwirtschaft sind protonenleitende Membranen unverzichtbar, beispielsweise in Brennstoffzellen und in Elektrolyseuren zur Wasserstoffherstellung.
Direkte Membranabscheidung auf die Elektrodenstrukturen mittels „Ultraschall-Spray-Beschichtung (Max-Planck-Institut für Festkörperforschung)

Direkte Membranabscheidung auf die Elektrodenstrukturen mittels Ultraschall-Spray-Beschichtung


Foto: Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Die etablierten Nafion-Membranen erscheinen trotz jahrelanger Forschungsanstrengungen derzeit als alternativlos, obwohl ihre Eigenschaften als suboptimal gelten. Sie erweichen bei Temperaturen über 90 Grad Celsius und die Herstellungskosten sind inhärent hoch. Besonders dünne Membranen haben einen hohen Gasdurchbruch und sind deswegen nicht effizient. Aus dem Stand erreichte das Forschungsprojekt PSUMEA 2 am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung mit einer alternativen Membran ebenso hohe Leistungsdichten und Wirkungsgrade wie die über Jahre optimierten Nafion-Membranen. Die Arbeiten werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie von der Energie Baden-Württemberg AG gefördert.

Tatsächlich ist das neue Membranmaterial aber gar nicht so neu. Es besteht aus einem hochtemperaturbeständigen polymeren Elektrolyten, den die Stuttgarter Arbeitsgruppe schon vor einigen Jahren entwickelt hatte. Für eine mechanisch robuste Membran in elektrochemischen Anwendungen veränderten sie nun ihre Zusammensetzung und verarbeiteten die Membran zusätzlich mit einem neuen Verfahren. Per Ultraschall wird eine Membran hauchdünn auf die Elektrodenstrukturen aufgebracht. Die Eigenschaften dieser Schicht können über ihre Dicke variiert werden. So kann auch die Membran für andere Anwendungen, wie für die Elektrolyse, angepasst werden.

Darüber hinaus zeigt der neue Membrantyp weitere, entscheidende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Im Gegensatz zur etablierten Technik erweichen die Membranen nicht bis mindestens 200 Grad Celsius und zeigen auch weit über 100 Grad Celsius keine irreversiblen Schäden. Ihre mechanische Festigkeit ist hoch und der Gasdurchtritt sehr gering, was die Ausprägung sehr dünner Membranen und damit eine weitere Leistungssteigerung ermöglichen sollte. Die Kombination aus geringem Gasdurchtritt (mehr als eine Größenordnung) und sehr hoher Leitfähigkeit machen diesen neuen Membrantyp auch sehr geeignet für Anwendungen in der Wasserelektrolyse. Ebenfalls liegen die geschätzten Herstellungskosten etwas unter denen von heute üblichen Membranen. Der Einsatz kostengünstigerer Monomere könnte die Kosten langfristig weiter senken.

Das neue Membranmaterial in Verbindung mit der neuen Verarbeitungstechnik hat das Potential, günstigere Eigenschaften mit geringeren Herstellungskosten zu verbinden. Damit könnten in Zukunft PEM-Brennstoffzellensysteme einfacher (weniger Aufwand für Kühlung und Befeuchtung) robuster und günstiger werden. Der Wirkungsgrad von PEM-Wasser-Elektrolyseuren könnte weiter gesteigert und die Kosten gesenkt werden.