Direkte Membrandeposition für kostengünstige Hochleistungsbrennstoffzellen

Gastautor Portrait

Matthias Breitwieser

Universität Freiburg
15. Februar 2016
EnergieCampus

Durch den Klimagipfel in Paris ist die Dringlichkeit der Abkehr von fossilen Brennstoffen erst kürzlich wieder ins Bewusstsein der Bevölkerung gerückt. Neben Batterien, die inzwischen in großer Stückzahl im Automobilsektor verbaut werden, sind auch Wasserstoffbrennstoffzellen eine vielversprechende Lösung für eine emissionsfreie Mobilität. Im Gegensatz zu Batteriefahrzeugen kann mit Brennstoffzellen heute schon eine Reichweite von über 600 km bei einer Tankzeit von drei Minuten erreicht werden. Auch im häuslichen Sektor werden Brennstoffzellen als hocheffiziente Kleinkraftwerke zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Elektrizität eingesetzt.

Den Kern des erfolgreichsten Wasserstoffbrennstoffzellentyps, der PEMFC, bildet die Polymerelektrolytmembran (PEM), die gleichzeitig hervorragend Protonen leiten, elektrisch isolieren aber auch eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Alterung sowie Gaspermeabilität besitzen muss. Diese Membran wird herkömmlich durch Prozesse der Folienindustrie hergestellt. Dazu gehört das Gießen der Folie aus Membranpolymer-Lösungen sowie das Extrudieren der Membranfolie. Die Folie wird anschließend beidseitig mit einer Katalysatorschicht beschichtet. Dieser Verbund wird als „catalyst coated membrane“ (CCM) bezeichnet. Um eine komplette Brennstoffzelle herzustellen, wird diese CCM zwischen zwei poröse Kohlenstofffasermatten gebracht. So können gleichzeitig die Reaktionsgase Wasserstoff und Luft als auch Elektronen und das Reaktionsprodukt Wasser zu- und abtransportiert werden.

Diese konventionelle Herstellungsmethode bringt einige Nachteile mit sich, die bislang nur unzureichend gelöst sind. So ist bei den kommerziell erhältlichen Membranen die minimale Dicke der Membran auf rund 20 µm begrenzt, da die Folie stabil genug für die Weiterverarbeitung sein muss. Das führt zu einem beachtlichen protonischen Widerstand, der die Zellleistung begrenzt. Hinzu kommt, dass für die Zellherstellung Folienprozesse für die Membran einerseits und Sprühprozesse für die Katalysatorschicht andererseits nötig sind. Da gerade die Folientechnik nur von wenigen Herstellern weltweit beherrscht wird, führt dies dazu, dass die Membran oder die gesamte CCM häufig teuer zugekauft werden muss.

Breitwieser Membran

Abbildung 1: Schematischer Vergleich der Direktmembrandeposition (DMD) mit dem Stand der Technik („catalyst coated membrane“ – CCM). Anstatt wie bei der CCM eine katalysatorbeschichtete Membranfolie (blau mit schwarzem Katalysator) zu verwenden, wird bei der direkten Membrandeposition das protonenleitende Polymer direkt auf die beiden Elektroden aufgebracht.

In unserer Arbeit wird ein neues Konzept der Membranherstellung vorgestellt. Es wurde als direkte Membrandeposition („direct membrane deposition“) in die Literatur eingeführt. Anstatt eine Membranfolie zu benutzen, wird bei der direkten Membrandeposition das Ionomer in flüssiger Form per Inkjet-Druck oder Sprühbeschichtung direkt auf die Elektroden von Anode und Kathodenseite aufgebracht. So können jetzt auch für die Membranherstellung die gleichen Prozesse verwendet werden, die schon für die Herstellung der Katalysatorschicht etabliert sind, was die Herstellung erheblich vereinfacht. Die komplizierte Folienprozesstechnik wird durch einen einfachen Beschichtungsprozess abgelöst, der bereits für die Herstellung der Elektrode etabliert ist. Abbildung 1 zeigt einen schematischen Vergleich der herkömmlichen CCM-Technologie und dem DMD-Ansatz. Das DMD-Konzept kehrt das Prinzip einer katalysatorbeschichteten Membran um und ermöglicht neben einfacherer Herstellung zahlreiche weitere Vorteile, die mit der herkömmlichen Technik nicht erreicht werden können.

Direkte Membrandeposition: Einfacher Prozess, höhere Leistungen

Durch die direkte Membrandeposition können beliebig dünne Membranschichten erzeugt werden. Der Materialeinsatz von teurem Membranpolymer als auch der protonische Widerstand der Membran kann somit stark reduziert werden. So sinken einerseits die Materialkosten, aber andererseits steigt die Materialeffizienz der Zellen, da höhere Stromdichten erzielt werden können. Die Ergebnisse wurden im April 2015 in einem Fachartikel (Klingele M., et al., J. Mat. Chem. A, 2015) veröffentlicht. Weitere Kosten können durch eine verbesserte Nutzung des teuren Katalysatormetalls Platin eingespart werden: Im Vergleich zu Brennstoffzellen mit herkömmlicher Membran wurde eine mehr als zweimal so hohe Platin-Effizienz (88 kW/gPt) erreicht. Der Platingehalt in Brennstoffzellen gilt als einer der Hauptkostentreiber in der Herstellung, daher kann die Technik maßgeblich dazu beitragen, Kosten in der Zellproduktion einzusparen. Diese Ergebnisse wurden im September 2015 in einem Fachartikel (Breitwieser M., et al., J. Electrochem. Commun., 2015) veröffentlicht.

Diese Beispiele illustrieren die Tragweite der neuartigen Fertigungstechnik. Die Abkehr von herkömmlicher Folienherstellung zur direkten Membrandeposition ermöglicht das Design völlig neuartiger Membranstrukturen, die erhebliche Vorteile für den Einsatz in Brennstoffzellen besitzen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass bislang die industrielle Herstellung von Brennstoffzellmembranen aufgrund der komplizierten Folientechnologie auf wenige Firmen weltweit begrenzt war. Durch die direkte Membrandeposition kann nun jeder Hersteller, der Zugang zu einfachen Beschichtungstechnologien wie Sprühbeschichtung, Inkjet-Druck oder Siebdruck besitzt, selbst preiswerte Brennstoffzellmembranen mit hoher Leistung produzieren.
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Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projektes „GECKO“ gefördert. Der Autor dankt Lukas Zielke für die Erstellung der Graphik.
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Unser Gastautor gewann 2015 den ersten Preis im EnergieCampus, einem  Wettbewerb der Stiftung Energie&Klimaschutz Baden Württemberg.

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