Brennstoffzellen wandeln chemische Energie unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrische Energie um. Dabei sind der mit Wasserstoffgas gefüllte Anodenraum und der mit Luft oder Sauerstoff gefüllte Kathodenraum durch eine Membran getrennt, die jedoch für Protonen durchlässig ist. Bisher maß man die Leitfähigkeit der Membran nur grob und nahm an, dass diese homogen ist. Deutsche Wissenschaftler haben nun eine sehr hoch auflösende Messmethode entwickelt, die das Gegenteil beweist.
Die Messungen dienen nach Angaben der Forscher des Instituts für Physikalische Chemie der Uni Stuttgart und der Hochschule Esslingen dem Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Protonenleitfähigkeit und der Mikrostruktur der Polymerelektrolyt-Membranen. Sie erlauben zudem eine gezielte Verbesserung des Herstellungsprozesses von so genannten Niedertemperatur-Brennstoffzellen.
Die aus dem Polymer Nafion bestehenden Membran ist einseitig mit einer Schicht aus einem Platin-Katalysator belegt. Diese dient gleichzeitig als Anode einer elektrochemischen Zelle, an der beim Anlegen einer ausreichend hohen Spannung und mit Hilfe von Sauerstoff Wasser oxidiert wird. Dabei kommt es zur Freisetzung von Protonen, die durch die Membran zur Nanokathode, der Platin-beschichteten, leitfähigen Spitze des Kraftmikroskops, wandern und dort mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft wieder zu Wasser reagieren.
Raster-Kraftmikroskopie im Einsatz
Bedingung für das Eintreten dieser elektrochemischen Reaktionen ist nach Angaben der Wissenschaftler, dass sich die Spitze über Bereichen der Membranoberfläche befindet, in denen die Protonen- leitenden Strukturen der Membran enden; nur dann lässt sich ein Stromfluss messen. Im Kontakt mit hydrophoben (wasserabweisenden) Bereichen dagegen konnte kein Strom nachgewiesen werden.
Um die Leitfähigkeit der Membran experimentell zu messen, setzten die Forscher die so genannte Raster-Kraftmikroskopie (Atomic Force Microscopy) ein. Mit dieser Messmethode kann eine Auflösung von zehn Nanometern erreicht werden, was die Auflösung konventioneller Messungen um viele Größenordnungen übersteigt.
„Schlafende“ Bereiche identifiziert
Für die Untersuchung werden der Messkopf sowie die Probe bei einer konstanten Feuchtigkeit klimatisiert. Anschließend visualisieren die Wissenschaftler die Messwerte dreidimensional. Dabei zeigt sich die Leitfähigkeit als scharfe Spitzen und Bündel von Spitzen, die sich wie die direkte Abbildung von Leitfähigkeitskanälen präsentieren. Überraschenderweise liegen dazwischen große „schlafende“ Bereiche ohne Protonenleitung.
Die Messungen erlauben eine gezielte Verbesserung des Herstellungsprozesses von Brennstoffzellen, zum Beispiel der Temperatur beim Gießen der Membran oder der Art des eingesetzten Lösungsmittels. Namhafte Autofirmen interessieren sich bereits für die neue Methode, die derzeit für eine breite Anwendung ausgebaut wird.
(idw – Universität Stuttgart, 01.07.2008 – DLO)
