Lorenz Gubler, überprüft die Temperaturverteilung im Wasserbad für die Modifizierung des ETFE-Basisfilms durch Pfropfreaktion.
Markus Fischer/Paul Scherrer Institut
Forscher am Paul Scherrer Institut (PSI) haben eine Brennstoffzellenmembran entwickelt, die im Labortest eine längere Haltbarkeit gezeigt hat, als kommerziell erhältliche Pendants. Das berichtet das PSI. Möglich gemacht wurde dies mithilfe der Modifizierung eines preisgünstigen Kunststofffilmes durch Bestrahlung und anschließendes Aufpfropfen funktioneller Komponenten. Anwendung finden könnte die neuartige Polymermembran etwa in Wasserstoffbrennstoffzellen oder in Elektrolyseuren zur Wasserstoffherstellung aus Wasser.
Ausgangsmaterial für die PSI-Membran ist der Kunststoff Ethylen-Tetrafluor-Ethylen (ETFE), berichten die Forscher. Das Material besteht wie jedes Polymer aus einer langen Kette von Kohlenstoffatomen als Grundgerüst. An diesem Grundgerüst hängen chemische Verbindungen, die dem Polymer seine besonderen Eigenschaften verleihen. Bei ETFE wechseln sich entlang der Kohlenstoffkette jene Verbindungen ab, die jeweils die Kunststoffe Polyethylen und Teflon ausmachen. ETFE vereint daher die Vorzüge dieser beiden Kunststoffe: es ist leicht zu verarbeiten wie Polyethylen sowie chemisch und thermisch stabil wie Teflon.
Für elektrochemische Anwendungen muss das ETFE jedoch modifiziert werden. Insbesondere muss es ionenleitfähig gemacht und seine Gasdurchlässigkeit verringert werden, erläutern die Wissenschaftler weiter. Beide Eigenschaften müsse nämlich jedes Material mitbringen, das beispielsweise als Elektrolytmembran in einer Wasserstoffbrennstoffzelle zum Einsatz komme. In einer solchen Brennstoffzelle wandern die Wasserstoffionen (Protonen) von einer Elektrode zur anderen und reagieren dann mit Sauerstoff, um Wasser und elektrischen Strom zu erzeugen. Gase, die in der Zelle vorkommen, dürfen aber nicht miteinander in Berührung kommen. Sonst könnte es zu unkontrollierten Reaktionen kommen. Deshalb braucht es eine Membran, die Protonen durchlässt, Gase aber zurückhält.
Vorsprung durch Strahlung
Modifiziert wird ETFE durch ein Verfahren, dass als "Strahlungspfropfen" bezeichnet wird, erläutern die Wissenschaftler. Genutzt werde dabei das Gerüst von ETFE als Basis, auf die chemische Verbindungen aufgepfropft werden, die ETFE besondere Funktionalitäten verleihen. So werde quer zu den ETFE-Ketten ein Styrolderivat eingewoben, das die Ketten miteinander vernetzt und so das Gerüst mechanisch stabiler macht. Sulfonsäure komme ebenfalls dazu und gebe ETFE die gewünschte Ionenleitfähigkeit. Mit Methacrylnitril schließlich erhalte ETFE eine wirksame Gasbarriere. Vor dem Aufpfropfen muss man das ETFE-Gerüst aber erst für die veredelnden Anhängsel empfänglich machen, betonen die Forscher. Dazu werde das Polymer mit Elektronen bestrahlt. Die Strahlung spalte einzelne Atome von der Polymerkette ab und an diesen Bruchstellen können Radikale, also besonders reaktionsfreudige Moleküle entstehen. Weil die Bestrahlung in Luft passiere, können dabei auch Peroxide entstehen, die ebenfalls bereitwillig und rasch reagieren. Diese aktiven Zentren sowie die Radikale dienen dann als Schnittstellen für das eigentliche "Aufpfropfen", erklären die Wissenschaftler.
Länger haltbar als marktübliche Membranen
In Haltbarkeitstests im Labor hat sich die so funktionalisierte ETFE-Membran bereits bewährt, wird berichtet: Zwei von drei Membranen blieben nach 2400 Stunden Testbetrieb im für Fahrzeuge typischen Belastungszyklus intakt. Und neben der Stabilität machen potenziell erhebliche Kosteneinsparungen die PSI-Membran sehr attraktiv, wissen die Forscher. Weil ETFE in der Anschaffung deutlich günstiger sei als das für solche Membranen marktübliche Nafion, rechne man bei optimierter industrieller Herstellung mit einer Kostensenkung um 50 bis 80 Prozent.