View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

6 1 Einführung und Zielsetzung
Tabelle 1.2: Zielwerte für die Materialanforderungen an Polymermembranen [9]
Materialanforderung Zielwert Zweck
Gasdichtigkeit < 1 mA/cm² sichere räumliche Trennung der Reaktandengase /
Verringerung der Mischpotentialbildung
Flächenwiderstand < 0,1 Ωcm² geringe Ohmsche Verluste
Quellgrad < 10 % homogene Anpressdruckverteilung
Leistungsdegradation < 2 mV/1000h geringe Alterung
Das perfluorierte sulfonierte Ionomer Nafion ® der Firma E.I. DuPont de Nemours ist das derzeit
meistverwendete Membranmaterial in PEFCs. Das Grundgerüst dieses Polymers besteht aus
Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Leitung der Protonen wird durch Sulfonsäuregruppen ermöglicht,
die kovalent an die Haupt-Polymerkette gebunden sind. Die mechanische Stabilität der
Membran kann erhöht werden, wenn das ionenleitende Polymer durch ein Gewebe aus PTFE
verstärkt wird [13]. Obwohl das fluorierte Haupt-Polymer der Grundstruktur der Membran einen
hydrophoben Charakter gibt, sind die Sulfonsäuregruppen hydrophil. Die Leitfähigkeit der
Sulfonsäuregruppen hängt stark von dem Wassergehalt in der Membran ab. Im drucklosen
Betrieb stellt die Siedetemperatur des Wassers einen Grenzwert für die Betriebstemperatur dar.
Nahe 100 °C führt die Wasserverdampfung zur Austrocknung der Membran und somit zum Verlust
der protonenleitenden Eigenschaft.
Ein neuartiges Membranmaterial, Phosphorsäure-dotiertes Polybenzimidazol (PBI), unterliegt
nicht dieser Temperaturbeschränkung. Da es sich bei der Phosphorsäure um einen intrinsischen
Protonenleiter handelt, benötigt diese Membran kein Wasser zur Leitung der Protonen.
Dies verringert den Befeuchtungsaufwand der Reaktandengase und ermöglicht Betriebstemperaturen
von deutlich über 100 °C auch unter Umgebungsdruck [14]. Ein Nachweis der geforderten
Langzeitstabilität der PBI Membranen steht noch aus.
Eine umfangreiche Beschreibung weiterer Membranmaterialien in Kombination mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
findet sich in [15].
Die elektrochemische Reaktion bedarf einer katalytischen Aktivierung, um eine ausreichend
hohe Reaktionsrate gewährleisten zu können. Aus diesem Grund befindet sich auf beiden
Seiten der Membran eine Katalysatorschicht. Die Aufgabe des Katalysators besteht in der
Absorption, Dissoziation und Oxidation beziehungsweise Reduktion der Wasserstoff- und
Sauerstoffmoleküle. Die Anforderungen an den Katalysator sind demnach eine hohe elektrokatalytische
Aktivität bei gleichzeitiger Stabilität in oxidierender und reduzierender Atmosphäre. In
Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen kommt auf der Anoden- und Kathodenseite bevorzugt das
Edelmetall Platin als Katalysatormaterial zum Einsatz. Zur weiteren Steigerung der katalytischen
Aktivität von Platin wird derzeit der Zusatz von Legierungsmetallen wie Ruthenium,
Rhodium sowie Nickel, Chrom und Kobalt erforscht [16, 17]. Bereits durch einen Kohlenstoffmonoxidgehalt
von weniger als 5 ppm im Brenngas kann der Platinkatalysator entscheidend
inaktiviert werden [18]. Bei Betrieb der Brennstoffzelle mit Synthesegas ist daher die Verwendung
einer geeigneten Katalysatorlegierung notwendig.
Um den An- und Abtransport der Reaktanden sowie der Elektronen und Protonen an den Katalysatorplätzen
zu gewährleisten, müssen die Katalysatorpartikel in Kontakt mit der entsprech-