Brennstoffzellen - tuprints

72 5 Polymerelektrolytmembranen in Brennstoffzellen
Die Ionencluster und –kanäle durchziehen die gesamte schwammige PTFE-Grundstruktur mit einem
Netzwerk, in dem der Protonentransport stattfinden kann [Meier04, Ulbr06]. Abbildung 5.4-2
veranschaulicht diese Zusammenhänge:
®
Abbildung 5.4-2: Netzwerk einer gequollenen Nafion -Membran mit Ionenclustern
und Ionenkanälen [WBZUP08]
Wie in Abbildung 5.4-2 dargestellt, entstehen auf Grund des freien Volumens im Polymer
nanometer-
große Poren, in denen sich die Cluster- und Kanalstruktur für den
wässrigen Protonentransport ausbil-
den können. In den Clustern findet dabei eine Wechselwirkung zwischen den SO 3 - H + -Gruppen und den
H2O-Dipolen statt, die dazu führt, dass sich das gesamte Befeuchtungswasser in den hydrophilen
Clus-
- +
tern befindet. Die Wände der Mikroporen, in den sich die Cluster ausbilden, werden dabei
von SO3 H -
Gruppen umrahmt. Die H + -Ionen lösen sich durch das in den Poren vorhandene Wasser von den
Sulfonsäure-Ketten ab und bilden Hydronium-Komplexe (H 3O + ), die dann in der wässrigen Phase
-
transportiert werde n können. Die SO3 -Ionen bleiben dann als Festladungs-Ionen
zurück. Zusätzlich
beschleunigt die hydrophobe Wasser abstoßende Natur des Teflon-Grundgerüsts den Wassertransport
durch die Membran.
Meier [Meier04] kommt in seiner Arbeit zu der Schlussfolgerung, dass Kapillardruckeffekte in Nafion ® -
Membranen keine Rolle spielen. Eine Membran stellt ein mikroporöses Poren-Netzwerk dar, dessen
Geometrie die Transporteigenschaften bestimmt. In einem derartigen Poren-Netzwerk kann der durch
hydraulische Permeation angetriebene Stofftransport in den Mikroporen über die Diffusion dominieren.
Diese hydraulische Permeation wird durch im mikroporösen Netzwerk der Membran auftretende kapil-