Veröffentlichung: Graphene Coating of Nafion Membranes for Enhanced Fuel Cell Performance
Die Wirkung einer Graphen-Diffusionsbarriere, mit welcher Brennstoffzellenmembranen beschichtet worden sind, wurde von Forschenden der AMO GmbH, RWTH Aachen, ZBT GmbH, Universität Siegen, Sixonia Tech GmbH und der Technischen Universität Dresden untersucht. Es konnte eine deutliche Verringerung der Brennstoffpermeation erreicht werden. Die Ergebnisse der Studie wurden kürzlich in der Zeitschrift ACS Applied Engineering Materials veröffentlicht.
Brennstoffzellen können chemische Energie, welche in Brennstoffen wie gasförmigem Wasserstoff oder flüssigen Alkoholen gespeichert ist, direkt in Elektrizität umwandeln. Sie werden als wichtige Technologie betrachtet, um emissionsfreie Mobilität und eine neuartige Energieversorgung in abgelegenen Regionen zu verwirklichen. Allerdings gibt es immer noch einige Schwachstellen bei Brennstoffzellen, die vor allem in dem verwendeten Membranmaterial begründet liegen. Stand der Technik ist das Membranmaterial Nafion, welches eine hohe Permeabilität für Brennstoffe besitzt und damit den unerwünschten Effekt „Crossover“ ermöglicht. Aktuell arbeiten Forscher an verschiedenen Ansätzen, um den Crossover zu verringern und dadurch die Leistung und Lebensdauer der Brennstoffzelle zu erhöhen.
In dieser Arbeit haben Ruhkopf und Kollegen Nafion-Membranen durch einen einfachen und skalierbaren Sprühbelackungsprozess mit elektrochemisch exfolierten Graphen-Flocken beschichtet. Die Graphen-Schichten wirkten als selektive Barrieren und begrenzten den Wasserstoff- und Methanol-Crossover, während sie eine hohe Protonenleitfähigkeit behielten – eine Grundvoraussetzung für den Betrieb einer Brennstoffzelle. Insbesondere bei Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, die mit einer hoch konzentrierten Methanollösung betrieben wurden, konnte eine große Leistungssteigerung an den mit Graphen modifizierten Membranen gemessen werden. Der dem zugrunde liegende Mechanismus, die gleichmäßig angeordneten und planparallel zur Oberfläche ausgerichteten Graphen-Flocken, wurde durch Transmisionselektronenmikroskopie (TEM) ermittelt.
Graphen-Beschichtungen haben sich als effektive Methode zur Reduzierung des Brennstoff-Crossovers erwiesen, sowohl bei Wasserstoff-betriebenen (PEMPCs) als auch bei Methanol-betriebenen (DMFCs) Brennstoffzellen. Der einfache Herstellungsprozess könnte in Membran-Elektroden-Fertigungsstraßen integriert werden.
Diese Forschungsarbeit wurde durch das Deutsche Ministerium für Wirtschaft und Energie BMWi (PROTONLY, 49VF170038) und das Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union (Förderkennzeichen No 881603) gefördert. Teile der Arbeit wurden am DFG geförderten Gerätezentrum für Mikro- und Nanoanalytik (MNaF) der Universität Siegen (INST 221/131-1) durchgeführt, unter Zuhilfenahme der TEM- (DFG INST 221/93-1, DFG INST 221/126-1) und Probenpräparationsausrüstung.