Membranen für die Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle

Der hohe Wirkungsgrad, die lange Betriebsdauer durch energiereiche Brennstoffe und die einfache Wiederbefüllung machen Brennstoffzellen zu der Zukunftstechnologie für die Stromversorgung elektrischer Geräte. Aufgrund seiner geringen Toxizität und der hohen Energiedichte ist Ethanol der ideale Brennstoff, um der Brennstoffzelle den Durchbruch in Massenmärkte zu ermöglichen. Die Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC) kann Ethanol elektrokatalytisch direkt an der Elektrode umsetzen (Bild 1). Insgesamt sechs Fraunhofer-Institute arbeiten gemeinsam an der Technologieentwicklung sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene. Die Aufgabe des Fraunhofer IGB ist dabei die Entwicklung innovativer Membranen für die DEFC.

Kompositmembranen für die DEFC

Bild 2: Raster-Elektronenmikroskopbild einer Kompositmembran.

Ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung einer Membran für die DEFC ist der Verlust von Ethanol über die Membran. Ethanol wird zusammen mit den Protonen durch die Membran von der Anode auf die Kathode transportiert (Cross-Over). Dies führt zur Ausbildung eines Mischpotenzials und zur Reduktion von Wirkungsgrad und Leistung. Zur Minimierung des Cross-Over entwickeln wir Kompositmembranen, die neben einem Polymer (sulfoniertes Polyether-etherketon, sPEEK) eine anorganische Komponente (Silica-Nanopartikel) enthalten (Bild 2). Diese wirken als Barriere gegen Ethanol, ohne die Protonenleitfähigkeit zu verringern. Darüber hinaus wird die Stabilität der Membranen durch eine Quervernetzung der Silicapartikel erhöht.

Ergebnisse

Durch die Zugabe von Tetraethoxysilan (TEOS) als zweite anorganische Komponente kann die Stabilität der Membranen weiter erhöht werden [1-3]. Durch die Hydrolyse und Kondensation von TEOS werden die Silicapartikel vernetzt, was die Quellung der Membranen verringert. Dadurch wird insgesamt die Ethanolpermeation durch die Kompositmembran reduziert (Bild 3).

Mit diesen Membranen wurden Membranelektroden-Einheiten (MEA) und Brennstoffzellenstacks gebaut und von unseren Projektpartnern charakterisiert. Ein Prototyp unserer DEFC (Bild 4) wurde auf der Messe f-cell präsentiert [4]. Diese DEFC zeigte eine Leistung von 6,3 mW/cm² (Bild 5). Einzelne MEAs zeigten Leistungen von über 9 mW/cm².

Ethanolpermeabilität von Kompositmembranen. — Bild 3: Ermittlung der Ethanolpermeabilität in einer fl-fl-Diffusionszelle. Gezeigt ist die Ethanolpermeabilität von Kompositmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich zur reinen Polymermembran.

Demonstrator einer DEFC. — Bild 4: Demonstrator einer DEFC, der im Fraunhofer-Verbundprojekt DEFC entwickelt wurde.

Leistung der DEFC. — Bild 5: Leistung der DEFC mit einer Gesamtfläche von 40 cm2. Die Katalysatorbeladung war auf der Anodenseite 4,7 mg/cm2 und auf der Kathodenseite 3,9 mg/cm2. Die Zelle wurde mit 2 M Ethanol bei 26 °C betrieben.

Anwendungen und Perspektiven

Nachwachsende Rohstoffe gewinnen insbesondere wegen ihrer Klimaneutralität zunehmend an Bedeutung. Ethanol wird bereits heute großtechnisch z. B. aus Zuckerrohr gewonnen und kann dann als flüssiger Brennstoff vielseitig verwendet werden. Mit der DEFC würden sich die enormen Investitionen, wie sie für eine breite Versorgung mit Wasserstoff notwendig wären, erübrigen, da weitestgehend auf eine bereits vorhandene Infrastruktur zurückgegriffen werden kann.

Literatur

[1] K.S. Roelofs, A. Kampa, T. Hirth, T. Schiestel, The Behavior of Sulfonated Poly(Ether Ether Ketone) in Ethanol-Water Systems, J. Appl. Polym. Sci., 111(6), 2009, 2998.

[2] K.S. Roelofs, T. Hirth, T. Schiestel, Sulfonated Poly(Ether Ether Ketone) Based Silica Nanocomposite Membranes for Direct Ethanol Fuel Cells, J. Membr. Sci., 346(1), 2010, 215.

[3] C. Cremers, F. Jung, B. Kintzel, K.S. Roelofs, T. Schiestel, J. Tübke, Development of Direct Ethanol Fuel Cell Membrane Electrode Assemblies Using Sulfonated Polyetheretherketone Mixed-Matrix Membranes, ECS Trans., 25 (1), 2009, 1685.

[4] f-cell, 29.-30. September 2008, Stuttgart