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ZBT GmbH

Projekt PROTONLY: Graphenschicht verbessert Performance von DMBZs

Eine Graphenschicht kann die Permeabilität einer Brennstoffzellenmembran erheblich reduzieren, ohne die Protonenleitfähigkeit zu sehr zu beeinträchtigen. Wie das geht, haben ZBT und AMO im gemeinsamen Projekt PROTONLY erarbeitet.

Strom-Spannungskennlinien von DMFC-MEAs mit graphenbeschichteten Nafion™ 115 Membranen im Vergleich zu einer unbeschichteten Referenz (REF_MEA_I). Gepunktete Linien kennzeichnen den 5-molaren Betrieb, durchgezogene Linien den 1-molaren Betrieb. Gleiche Farbe bedeutet gleiche Membran. MEA_I (130µg/cm² Graphen, rote Kurven) zeigt im 5-molaren Betrieb eine sehr gute Performance.

Folie mit gesprühter Graphenschicht (Foto: AMO GmbH)

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AMO und ZBT sind Mitglieder der Johannes-Rau-Forschungsgemeinschaft.

Membranen in Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEMBZ), Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMBZ) oder Vanadium-Redox-Flow-Batterien (VRFB) sollen gleichzeitig möglichst durchlässig für Protonen und möglichst dicht für die Betriebsmedien sein. Gemeinsam mit Projektpartner AMO Gesellschaft für Angewandte Mikro- und Optoelektronik ist das ZBT im Projekt PROTONLY - Neue Membran-Generation mit protonendurchlässigen Barriereschichten für elektrochemische Anwendungen auf diesem Weg ein großes Stück weitergekommen.

Während der Projektlaufzeit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem Graphenschichten so auf Perfluorsulfonsäure(PFSA)-Membranen aufgebracht werden können, dass insbesondere im Anwendungsbereich der DMBZ die angestrebten Verbesserung erreicht werden konnten. Dazu trug auch die weitere Modifizierung des gesamten Sperrschicht-Membran-Elektroden-Verbunds bei.

Beim Betrieb einer DMBZ mit 5-molarer Methanol-Lösung wurde die Permeabilität einer beschichteten Nafion™ 115-Membran im Vergleich zu einer unbeschichteten Membran fast um den Faktor 20 reduziert. Gleichzeitig wurde eine Verringerung der protonischen Leitfähigkeit um ca. 17 % gemessen. Die Einbußen bei der protonischen Leitfähigkeit sind damit zwar 7 Prozentpunkte höher als das gesetzte Ziel, allerdings wurde dieses auch in Kombination mit einer Verbesserung der Sperrwirkung um den Faktor 10 gesetzt. Somit erscheint ein nur um 17 % verringerter Protonenfluss bei einer gleichzeitigen Verringerung der Methanolpermeation um den Faktor 20 als enormer Erfolg.

Als Resultat der stark erhöhten Sperrwirkung bei akzeptabler Einschränkung der Protonenleitfähigkeit konnte somit im 5-molaren DMBZ-Betrieb eine 3,8-fache Leistungssteigerung gegenüber einer unbeschichteten Membran verzeichnet werden.

Dies erklärt sich nicht zuletzt auch durch eine Steigerung der Gesamtleitfähigkeit durch die Ebene der gesamten Membran-Elektroden-Einheit (MEA) um ca. 17 % von 3,08 mS/cm auf 3,6 mS/cm. Bei der Gesamtleitfähigkeit spielen auch die elektronischen (Kontakt-)Widerstände und Crossover-bedingte Reaktionswiderstände eine Rolle, die durch den Einsatz von Graphen deutlich reduziert werden konnten.

Im Rahmen des Projekts konnte neben der DMBZ auch bei der Vanadium-Redox-Flow-Batterie ein grundsätzlicher Sperreffekt beobachtet werden, allerdings war die Graphenschicht hier nur kurze Zeit stabil. Bei der PEMBZ hat die deutlich erhöhte Sperrwirkung die deutlich verminderte Protonenleitung leider nicht kompensieren können. Die gemessenen Leistungsdaten waren geringer als die ohne Graphenschicht.


Reg.-Nr.: 49VF170040 (INNO-KOM)
Kurztitel: PROTONLY
Laufzeit: 1. November 2018 - 31. Dezember 2021
Abteilung Elektrochemische Komponenten