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Brennstoffzellen: Polymere, Platin und ein Posterpreis

02. Mai 2016

Brennstoffzellen sind ein wichtiges Forschungsgebiet am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ), wo das JCNS seine größte Außenstelle betreibt. Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie um. Dieser Prozess läuft im Herzen der Brennstoffzelle, der Membran-Elektroden-Einheit, ab. Die Membran dieser Einheit ist beidseitig mit Elektroden aus nanoporösem Kohlenstoff und Platinpartikeln beschichtet. Dieser Typ Brennstoffzelle ist vielseitig einsetzbar, hat aber gravierende Nachteile: Kühlung und Wassermanagement sind aufwändig und der Katalysator reagiert empfindlich auf Kohlenmonooxid. Die so genannte Hochtemperaturvariante (HT‐PEFC) hingegen, die bei Temperaturen von 160-180 ºC arbeitet, hat diese Nachteile nicht.

Fuel CellsDas Jülicher Instrument SPHERES ist weltweit eines der besten Rückstreuspektrometer, geeignet z.B. für hochauflösende Messungen von Protonendiffusion.
Copyright: Astrid Eckert / TUM

Um herauszufinden, wie man den Wirkungsgrad der katalytischen Schichten auf den Membranen von HT-PEFC durch optimierte Zusammensetzung verbessern könnte, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des JCNS gemeinsam mit Kollegen vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) die Protonendiffusion mit Hilfe der quasielastischen Neutronenstreuung (QENS) genauer untersucht. „Wesentlich bei der Betrachtung sind die Protonenleitung in der Phosphorsäure, die in der Elektrodenschicht vorhanden ist, und der Zusammenhang mit der Platinkonzentrationen des Katalysators. Für diese Untersuchung ist QENS am Instrument SPHERES eine ideale Methode“, erläutert Dr. Marina Khaneft, Instrumentverantwortliche an der JCNS-Außenstelle am MLZ.

Die Forscher fanden heraus, dass die Protonendiffusion, die die Leitfähigkeit im System bestimmt, von der Katalysatorkonzentration abhängt. Phosphorsäure scheint von den Platinpartikeln „gefangen“ zu werden. Die Ergebnisse zeigen, dass man mit Neutronenstreuung Details der Funktionsweise von Brennstoffzellen untersuchen kann, die mit anderen Techniken nicht zugänglich sind. Auf diese Weise lässt sich die Optimierung der einzelnen Komponenten der Brennstoffzelle für eine längere Lebensdauer und bessere Effizienz vorantreiben.

Der ausführliche Bericht ist kürzlich online erschienen. Im Sommer 2015 hatte Khaneft beim 5th European Fuel Cell Forum (EFCF2015) im Schweizer Luzern bereits den Posterpreis für ihren Beitrag über diese Arbeit bekommen.

Fuel CellsDr. Marina Khaneft erhielt während des European Fuel Cell Forum 2015 den Christian-Friedrich-Schönbein-Preis für das beste Poster.
Copyright: EFCF

Originalveröffentlichung:
M. Khaneft et al.,
Structure and Proton Dynamics in Catalytic Layer of HT‐PEFC,
Fuel Cells 2016, DOI: 10.1002/fuce.201500167

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