Third party funded individual grant
Start date : 15.05.2023
End date : 14.05.2026
Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC) mit einer Membran aus sulfonierten Fluoropolymeren (PFSA) hat in den letzten Jahrzehnten die Maßstäbe für mobile Anwendungen gesetzt und hat mittlerweile ein ausgereiftes Niveau hinsichtlich Leistung und Haltbarkeit erreicht. Die PFSA-Membranen in PEFCs setzen eine ausreichende Wasserquellung voraus und erfordert eine Befeuchtung des zugeführten Wasserstoffs und der Luft. Dies beschränkt den atmosphärischen Betrieb auf Temperaturen <80°C, da durch eine Dehydratisierung die Leitfähigkeit stark abnimmt.
Eine bei 120°C betriebene PEFC ermöglicht eine effektivere Kühlung bei hoher elektrischer Belastung und eine bessere Abwärmenutzung. Derartige Betriebstemperaturen erfordern aber ein neues Elektrolytmaterial dessen Protonenleitung nicht auf der Anwesenheit des Amphoters Wasser basiert. Ein nichtwässriger protonenleitender Elektrolyt würde auch ein aktives Wassermanagement überflüssig machen. Dies alles würde eine deutlich weniger aufwändige Konstruktion des Gesamtsystems und so eine viel effizientere Systemintegration der PEFC im Bereich der Elektromobilität ermöglichen. Eine derartige Mitteltemperatur-PEFC würde die Anforderungen im Transport- und Verkehrsbereich (PKW, LKW, Zug) bei Nutzung von Wasserstoff aus regenerativer Energie im Vergleich zur herkömmlichen PEFC noch besser erfüllen.
Für Betriebstemperaturen zwischen 100–140°C sind neue Membranmaterialien bzw. (nichtwässrige) protonenleitende Elektrolyte erforderlich, die bei geringen Wasserpartialdrücken ihre Leitfähigkeit nicht einbüßen. Im Rahmen dieses Projekts sollen protonenleitenden Ionischen Flüssigkeiten (PILs) mit stark Brønsted-aziden Sulfoalkylphosphoniumkationen hergestellt und charakterisiert werden. Stark azide und hygroskopische PILs auf Basis von Sulfonsäuren stellen einen vielversprechenden technologischen Ansatz dar. Im Mittelpunkt steht die Synthese neuer Strukturen mit angepassten polaren bzw. hydrophilen/hydrophoben Eigenschaften und deren Auswirkung auf den Protonentransport (Vehikel- oder kooperativer Mechanismus) und auf die Kinetik der Elektrodenreaktionen in derartigen nichtwässrigen Elektrolyten. In sukzessiven Schritten soll die Struktur der PILs bezüglich der elektrochemischen Eigenschaften optimiert werden. Für die bislang wenig untersuchte Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) an einer Platinelektrode in einem nichtwässrigen Elektrolyten sollen die kritischen kinetischen Parameter und die Mechanismen ermitteln werden.
Die optimierte PIL soll in einer Polymermatrix immobilisiert werden, um freistehende mechanisch stabile Elektrolytmembranen zu erhalten. Um die Grundlage für zukünftige noch effizientere Zellkonzepte zu legen, ist es notwendig, weiterhin intensiv an der Erforschung von Katalysator- aber auch Elektrolytmaterialien zu arbeiten.