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Publikation im renommierten Journal Nature Materials

Die Forschung am HI ERN bleibt spitze, auch auf dem Gebiet der elektrochemischen Energieumwandlung.

 

Effektive polymere Protonenleiter spielen eine wichtige Rolle, um Umwandlungsprozesse – beispielsweise in einer Brennstoffzelle – möglichst effizient zu gestalten. In Hochtemperaturbrennstoffzellen (Betriebstemperatur 140 bis 220 °C), in denen bislang in den meisten Fällen Polybenzimidazole, die mit Phosphorsäure dotiert sind, als Protonenleiter Verwendung gefunden haben, treten bei hohen Temperaturen jedoch häufig Probleme auf.

Ein Beispiel ist die partielle Verdampfung der Phosphorsäure (Siedepunkt 213 °C), wodurch die Protonenleitfähigkeit der Membran verringert wird. Außerdem kommt es zur Ablagerung von Phosphorsäuremolekülen auf den Katalysatoren bei Hochtemperaturbrennstoffzellen während des Betriebs, was ihre Effizienz deutlich herabsetzt.

Eine 3D-Simulation des Polymermoleküls „Poly(2,3,5,6-tetrafluorostyrene-4-phosphonic acid)“.Eine 3D-Simulation des Polymermoleküls „Poly(2,3,5,6-tetrafluorostyrene-4-phosphonic acid)“
Copyright: Jochen Kerres

Eine Lösung dieses Problems, das die Forscher des HI ERN (Forschungsabteilung Elektrokatalytische Grenzflächenverfahrenstechnik, kurz: EGV) gemeinsam mit deutschen (Gruppe von Dr. V. Atanasov am Institut für Chemische Verfahrenstechnik der Universität Stuttgart) und US-amerikanischen Kollegen um Dr. Y. S. Kim am Los Alamos National Lab entwickelt haben, konnte nun im renommierten Journal Nature Materials veröffentlicht werden. Sie beinhaltet eine Reduktion des leistungshemmenden Phosphorsäure-Gehalts der Elektroden durch die Verwendung einer Polymer-Feststoffsäure (2,3,5,6-tetrafluorstyrol-4-phosphonsäure) als Elektrodenionomer, die anders als Phosphorsäure auch bei Temperaturen über 200 °C nicht verdampft.

Die Verwendung der Polymer-Feststoffsäure in Brennstoffzellenelektroden ermöglicht so eine Leistungssteigerung bei der elektrochemischen Energieumwandlung von mehr als 50 %. Dieses Ergebnis ist deshalb so bedeutsam, da es einen Weg zur Verwendung von phosphonierten Polymeren in Hochleistungsbrennstoffzellen unter heißen und trockenen Betriebsbedingungen ermöglicht.

Kontakte

Prof. Dr. Simon Thiele
Prof. Simon Thiele
Head of Research Department
Telefon: +49 9131 85-20843
E-Mail: si.thiele@fz-juelich.de

Jochen Kerres
Dr. rer. nat. Jochen Kerres
Head of Team
Telefon: +49 9131 85-27455
E-Mail: j.kerres@fz-juelich.de

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