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Brennstoffzellen-Optimierung durch punktgenau aufgelöste Messung der Protonenleitfähigkeit

Wissenschaftler des Instituts für Physikalische Chemie der Uni Stuttgart und der Hochschule Esslingen haben eine sehr hoch auflösende Messmethode entwickelt, mit der die Leitfähigkeit der Polymermembran in Niedertemperatur-Brennstoffzellen analysiert werden kann. Die Messungen soll dem Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Protonenleitfähigkeit und der Mikrostruktur der Polymerelektrolyt-Membranen dienen und eine gezielte Verbesserung des Herstellungsprozesses von Brennstoffzellen erlauben, zum Beispiel durch die Anpassung der Temperatur beim Gießen der Membran oder der Art des eingesetzten Lösungsmittels.

Um die Leitfähigkeit der Membran experimentell zu messen, setzten die Wissenschaftler die so genannte Raster-Kraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy) ein, mit der eine Auflösung von zehn Nanometern erreicht werden kann. Für die Untersuchung klimatisieren die Projektmitarbeiter den Messkopf sowie die Probe bei einer konstanten Feuchtigkeit. Anschließend werden die Messwerte dreidimensional visualisiert. Dabei zeigt sich die Leitfähigkeit als scharfe Spitzen und Bündel von Spitzen, die sich wie die direkte Abbildung von Leitfähigkeitskanälen präsentieren. So konnten die Wissenschaftler zeigen, dass die Leitfähigkeit der Membran, die den mit Wasserstoffgas gefüllten Anodenraum und den mit Luft oder Sauerstoff gefüllten Kathodenraum trennt, nicht - wie bisher angenommen - homogen ist, sondern große, "schlafende" Bereiche ohne Protonenleitung aufweist.

Die aus dem Polymer Nafion bestehenden Membran ist einseitig mit einer Schicht aus einem Platin-Katalysator belegt. Diese dient gleichzeitig als Anode einer elektrochemischen Zelle, an der beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung und mit Hilfe von Sauerstoff Wasser oxidiert wird. Dabei kommt es zur Freisetzung von Protonen, die durch die Membran zur Nanokathode - der platinbeschichteten, leitfähigen Spitze des Kraftmikroskops - wandern und dort mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft wieder zu Wasser reagieren. Bedingung für das Eintreten dieser elektrochemischen Reaktionen ist, dass sich die Spitze über Bereichen der Membranoberfläche befindet, in denen die Protonen- leitenden Strukturen der Membran enden; nur dann lässt sich ein Stromfluss messen. Im Kontakt mit hydrophoben (wasserabweisenden) Bereichen dagegen konnte kein Strom nachgewiesen werden.

Bereits im vergangenen Jahr wurden die Projektteilnehmer bei dem von der Wirtschaftsförderung Region Stuttgart ausgeschriebenen Innovationswettbewerb "f-cell Award" mit einem Sonderpreis ausgezeichnet.
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