Strukturierte Funktionsmaterialien für multiplen Transport in nanoskaligen räumlichen Einschränkungen

Brennstoffzellen nutzen den kontrollierten chemischen Umsatz von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser unter Freisetzung von elektrischer Energie. Damit bietet diese Technologie in Kombination mit grünem Wasserstoff eine vielversprechende Alternative für den Umstieg auf eine klimaneutralere Energieinfrastruktur. Eine wichtige Voraussetzung für ein hocheffizientes System ist hierbei der verwendete Katalysator, meist das teure Edelmetall Platin. Dessen optimale Ausnutzung wird erst durch maßgeschneiderte nanostrukturierte und zumeist modifizierte Katalysatorpartikel mit einer hohen aktiven Oberfläche ermöglicht. Die Effizienz des Systems wird allerdings nicht nur durch den verwendeten Katalysator beeinflusst. Ein nicht zu vernachlässigender Aspekt sind die während der Reaktion ablaufenden Transportprozesse aller beteiligten Reaktanden, sowie Ionen-, Elektronen- und Wärmeströme. Die daraus resultierende Komplexität ist eine maßgebliche Herausforderung für die Systemoptimierung, und deren Entschlüsselung ein entscheidender Schritt zur kommerziellen Umsetzung von Brennstoffzellensystemen.

Im Sonderforschungsbereich 1585 „MultiTrans“ an der Universität Bayreuth stehen obig beschriebene multiple Transportprozesse im Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Das Projekt A02: „Protonen- & H2O-Transport in funktionalisierten porösen Elektrodenstrukturen“, gemeinsam geleitet von Prof. Dr.-Ing. Christina Roth (Lehrstuhl für Werkstoffverfahrenstechnik) und Prof. Dr. Rhett Kempe (Lehrstuhl für Anorganische Chemie II) beschäftigt sich mit Hochtemperatur-Polymermembranbrennstoffzellen (HT-PEMFC) und den damit verbundenen Herausforderungen. Im Vergleich zur bekannteren und besser erforschten Niedertemperatur-Brennstoffzelle bringt dieser Zelltyp viele Vorteile mit sich, z.B. in Form einer geringeren Anfälligkeit gegenüber über den Gasstrom eingetragenen Verunreinigungen und Katalysatorgiften wie CO. Trotz dieser Vorteile stehen der kommerziellen Anwendung dieses Zelltyps einige grundsätzliche Probleme entgegen. U.a. wird in HT-PEMFC Phosphorsäure als temperaturstabiler Elektrolyt eingesetzt, der jedoch im Betrieb mit dem Produktwasser ausgeschwemmt wird bzw. auch aktive Katalysatorzentren vergiftet. Ein Ziel dieses Projekts ist dementsprechend die effektive Immobilisierung des Elektrolyten innerhalb der Brennstoffzelle, erzielt durch das „Confinement“ der Phosphorsäure in elektrisch leitenden und hohlen Kohlenstoffnanofasern (CNF), welche eine poröse Elektrodenstruktur bilden. Die beschriebenen CNF werden mittels Elektrospinnverfahrens aus ausgewählten Polymerprecursoren mit einer kontrollierbaren Porosität und Leitfähigkeit hergestellt.

Dabei werden auch die resultierenden Auswirkungen dieser räumlichen Beschränkung des Elektrolyten auf die restlichen parallel stattfindenden Prozessabläufe im Inneren der Brennstoffzelle detailliert untersucht werden.

Projektprofil

Laufzeit: 01.10.2023 - 30.09.2026

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kontakt: Sven Hörnig, Prof. Dr.-Ing. Christina Roth