Gesundheit : Auf die Membran kommt es an

Neue Materialien machen Brennstoffzellen immer effektiver

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Es gibt kaum ein Thema, bei dem sich Wissenschaftler und Ökologen so einig sind wie bei der Brennstoffzelle. Das Prinzip der gebändigten Knallgasreaktion gilt als eine der Schlüsseltechnologien des Jahrhunderts.

Zwar ist das Prinzip bereits vor mehr als 160 Jahren erfunden worden, doch wird weltweit intensiv an der Verbesserung geforscht. Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben jetzt neue Materialien gefunden, die die Effektivität erhöhen.

Das Herzstück der Brennstoffzelle ist eine Membran, die die vorbeiströmenden, gasförmigen Reaktionspartner trennt. Die zehntelmillimeterdicke Kunststofffolie wird von einem platinhaltigen Katalysator bedeckt, der die Wasserstoffmoleküle in Elektronen und positiv geladene Ionen spaltet.

Die Protonen passieren die Folie und reagieren auf der anderen Seite mit den zwischenzeitlich entstandenen, negativ geladenen Sauerstoffionen zu Wasser. Durch Überschuss von Elektronen auf der Wasserstoffseite und entsprechendem Mangel auf der Sauerstoffseite des Elektrolyten bilden sich Plus- und Minuspol. Eine Spannung entsteht, Strom kann fließen und einen Verbraucher speisen.

Doch noch ist das System nicht ausgereift. Vor allem die Membran, die die Protonen leitet, macht Sorgen. An der Entwicklung neuer Materialien arbeitet eine Gruppe des Instituts für Chemische Verfahrenstechnik (ICVT) der Universität Stuttgart.

„Wir suchen Alternativen zu Nafion“, sagt der Wissenschaftliche Mitarbeiter Jochen Kerres. „Nafion“, ein aus Teflon und einigen anderen chemischen Bausteinen hergestelltes Polymer ist äußerst stabil und langlebig. In Wasserstoff-Brennstoffzellen betrug die Lebensdauer Kerres zufolge bis zu 60 000 Stunden.

Nafion wird bei den meisten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen eingesetzt. Dieser Typ, bei dem Methanol direkt verbrannt wird, gilt als vielversprechender Kandidat für Anwendungen in Autos. Bei direkter Umsetzung von Methanol ist es nicht mehr nötig, eigens Wasserstoff zuzuführen. Auch auf den „ Reformer“, der das Gas aus Brennstoffen wie Methanol, Äthanol oder Benzin abspaltet, kann verzichtet werden.

Nachteilig ist außer dem hohen Preis vor allem die Durchlässigkeit von Nafion gegenüber Methanol. Wenn der Brennstoff durch die Membran entweicht, erhöht sich der Verbrauch, gleichzeitig sinkt die Leistungsfähigkeit.

Beide Effekte verringern den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Und genau der deutlich höhere Wirkungsgrad, als ihn Verbrennungsmotoren besitzen, macht die Brennstoffzelle so attraktiv als Energiequelle in Personen- wie Lastkraftwagen, Bussen oder Schienenfahrzeugen. Dasselbe gilt für stationäre Einsätze zur Energieerzeugung in Blockheizkraftwerken oder in Elektronikgeräten wie Laptops oder Handys.

An die protonenleitende Membran werden besonders hohe Anforderungen gestellt. Sie muss stabil sein gegen Hitze und chemische Substanzen. Denn das Oxydationsmittel Sauerstoff, die Katalysatoren aus Edelmetall sowie reaktionsfreudige Radikale schaffen ein aggressives Klima. Zudem herrschen Temperaturen von über 100 Grad.

„Seit Jahrzehnten sucht man weltweit nach chemisch stabilen Polymerelektrolyten“, sagt Kerres. Die Stuttgarter Verfahrenstechniker fanden eine neue Methode, so genannte Aryl-Polymer-Membranen zu vernetzen. Diese quellen nicht so sehr auf wie unvernetzte Membranen. Allerdings erwiesen sie sich teilweise als sehr spröde.

Diesen Nachteil zeigten die daraufhin entwickelten „ionisch vernetzten Membranen“ nicht; außerdem waren sie bei Temperaturen von bis zu 350 Grad sehr beständig. Positiv fiel auch die hohe Protonenleitfähigkeit und die gute Wirksamkeit in Wasserstoff- wie in Direktmethanol-Brennstoffzellen auf.

Ein großer Vorteil war, dass die am ICVT entwickelten Systeme deutlich weniger Methanol durchließen als Nafion. Allerdings wurde der Stuttgarter Typ erst etwa 600 Stunden lang getestet. Langzeitversuche müssten jetzt folgen, Zusammenarbeit mit Firmen wäre nötig, doch fehlt es – so Kerres – an Möglichkeiten. Anscheinend reduziert die deutsche Industrie die Aktivitäten bei Brennstoffzellen. Eine bedenkliche Entwicklung, meint Kerres. Paul Janositz

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