Dieses Kohlenstoffpapier besteht aus vielen kleinen Kohlefasern und weist eine poröse Struktur auf, die Gase feinverteilt der Elektrode einer Brennstoffzelle zuführt. Nach dem Einbau der wasseranziehenden Kanäle (helle Linien) soll das Wasser dem Gasfluss nicht mehr im Weg liegen.
Paul Scherrer Institut/Markus Fischer
Forscher am Paul Scherrer Institut (PSI) haben ein Beschichtungsverfahren entwickelt, das die Effizienz von Brennstoffzellen erhöhen könnte. Die Schweizer Wissenschaftler haben das für die Massenproduktion geeignete Verfahren zum Patent angemeldet.
Seit 2013 sind serienreife Brennstoffzellenautos erhältlich. Weltweit arbeiten Forschende aber weiterhin daran, die Effizienz von Brennstoffzellensystemen zu erhöhen beziehungsweise deren Kosten zu senken. Eine neuartige Beschichtung, die am Paul Scherrer Instituts entwickelt wurde, soll nun die Leistung und die Stabilität im Betrieb der Brennstoffzellen verbessern können. Die Beschichtung sorge dafür, dass Wasser und Gase auf getrennten Wegen durch die porösen Materialien in den Brennstoffzellen fließen, erklärt Dr. Pierre Boillat, Forscher im Labor für Elektrochemie am PSI.
Wasser hemmt die Stromproduktion
Ein wichtiges Thema bei der Entwicklung von effizienten Brennstoffzellen ist den Schweizer Forschern zufolge das Abführen des Wassers aus Teilen der Brennstoffzellen, in denen es unerwünscht ist, weil es den Durchfluss der Gase stört. Wasser sammle sich beispielsweise in den Poren der sogenannten Gasdiffusionsschicht, einer in der Regel aus Kohlefasern bestehenden Schicht, die unter anderem die Zufuhr und Feinverteilung der Gase Wasserstoff und Sauerstoff an die Elektroden der Zelle sicherstelle. Das in der Gasdiffusionsschicht angesammelte Wasser behindere den Durchfluss der Gase und hemme dadurch die Stromproduktion.
Wie die Wissenschaftler des PSI erklären, sind in kommerziell erhältlichen Brennstoffzellen die Kohlefasern der Gasdiffusionsschicht in der Regel gleichmäßig mit einem wasserabweisenden Kunststoff beschichtet, der den Abfluss des Wassers erleichtern soll. Das Wasser verteile sich hier jedoch willkürlich im Material, und die für den Gasfluss frei bleibenden Poren bilden den PSI-Forschern zufolge gewundene Pfade. Die Gase gelängen deshalb nur langsam an die Elektroden, was die Leistung der Brennstoffzellen reduziere.
Abflusskanäle und wasseranziehende Moleküle
Die neue Lösung aus dem Schweizer Forschungsinstitut soll das Problem lösen, indem es getrennte "Abflusskanäle" schaffe, in denen sich praktisch alles Wasser konzentrieren soll. In den restlichen, trockenen Kanälen sollen die Gase dann schneller fließen können. Die PSI-Forschenden haben laut eigenen Angaben schon aus früheren Versuchen gewusst, dass es nicht nur auf die Menge, sondern auch auf die Verteilung des Wassers in der Diffusionsschicht ankommt. "Wir haben nun diese Idee zum ersten Mal in ein Verfahren umgesetzt, das sich für die Massenproduktion eignet", erklärt PSI-Doktorand Antoni Forner-Cuenca, der die Versuche im Labor durchführte.
Das Konzept der PSI-Forscher besteht darin, die ursprüngliche, wasserabweisende Kunststoffbeschichtung entlang gerader Wege wasseranziehend zu machen. Das Wasser werde in diese Kanäle regelrecht eingesaugt, während die restlichen Bereiche der Gasdiffusionsschicht praktisch trocken bleiben, erläutern die Wissenschaftler. Um die Wasserkanäle herzustellen, haben die PSI-Forscher in die Struktur des ursprünglichen Kunststoffs wasseranziehende Moleküle eingebracht.
Elektronenstrahl bindet funktionelle Moleküle
Zuvor mussten sie den Kunststoff mit einem Elektronenstrahl aufbereiten, sodass er die anzuhängenden Moleküle binden konnte. Ihr Vorgehen dabei beschreiben die Forscher wie folgt. "Der Elektronenstrahl wird hierbei durch ein Metallgitter geführt, sodass zwei unterschiedliche Bereiche geschaffen werden. Dort, wo der Strahl durch das Gitter geht, kann die ursprüngliche Beschichtung später so verändert werden, dass wasseranziehende Kanäle entstehen. Dort, wo der Strahl nicht das Gitter passiert, bleibt der ursprüngliche Kunststoff wasserabweisend. Im vom Elektronenstrahl veränderten Bereich reagiert die Kunststoffbeschichtung dann chemisch mit speziellen Molekülen und wird dadurch wasseranziehend gemacht - es werden Kanäle geschaffen, die das in den Brennstoffzellen produzierte Wasser effizient hinaus transportieren."
Das am PSI entwickelte Verfahren des Anhängens funktioneller Moleküle mit Hilfe eines Elektronenstrahls bezeichnen die Wissenschaftler als Strahlenpfropfen. Es ähnele nämlich dem in der Gärtnerei üblichen Pfropfen wertvoller Pflanzen auf einen fremden, robusten Stamm. In diesem Fall sollen die wasseranziehenden Moleküle dem Basiskunststoff die erwünschten, wasseranziehenden Eigenschaften geben. Die Wissenschaftler konnten in Laborversuchen eigenen Angaben zufolge zeigen, dass die von ihnen geschaffenen Kanäle tatsächlich fast das ganze Wasser in sich aufsaugen. Die anderen Bereiche sollen hingegen praktisch trocken bleiben. Den Beweis lieferten die Forscher in Form von Bildern der Gasdiffusionsschicht, die sie mit Hilfe von Neutronen aus der Strahllinie ICON der Spallationsneutronenquelle SINQ des PSI erstellten.