Membranen – unsichtbare Schicht, grosser Einfluss

Brennstoffzellen sind eine Schlüsseltechnologie für den Einsatz von Wasserstoff in der Energieversorgung. Eine Variante sind die sogenannte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen. Die Eigenschaften der Membran bestimmen die Leistung, Effizienz und Lebensdauer.  Bisher war es jedoch schwierig, den Einfluss der Membran auf die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu untersuchen, da sich viele Prozesse überlagern. Ein Team des Lehrstuhls für Partikeltechnik der Universität Duisburg-Essen (UDE) entwickelte daher mit weiteren Forschenden und dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik eine neue Methode: Statt die gesamte Brennstoffzelle zu analysieren, untersuchten sie gezielt die Kathode in einer vereinfachten Testumgebung.

Untersucht wurden Membranen unterschiedlicher Dicke und chemischer Struktur sowie ein Referenzsystem ohne Membran. Mithilfe elektrochemischer Messverfahren konnten die Forschenden erstmals die Ursachen von Leistungsverlusten sichtbar machen und voneinander trennen – etwa elektrische Widerstände, Reaktionsgeschwindigkeit und Stofftransport.

Membrandicke hat aus Auswirkungen auf die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen

Laut einer Medienmitteilung der UDE zeigten die Ergebnisse, dass die Membran zusätzliche Widerstände ins System bringe und die Leistung massgeblich beeinflusse. Überraschend sei gewesen, dass der grösste Teil des zusätzlichen Widerstandes nicht durch die Dicke der Membran entstehe, sondern durch die Kontaktflächen zwischen Membran und Elektrode.

Die Membrandicke wirkt sich vor allem auf die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen aus: Je dicker die Membran, desto langsamer laufen sie ab. «Transportverluste werden hingegen stärker durch die chemische Struktur des Materials bestimmt», so Fatih Özcan von der UDE. «Unsere Forschung belegt, dass Membranen weit mehr sind als passive Bauteile. Sie liefert zugleich wichtige Ansatzpunkte für die Entwicklung leistungsfähigerer und langlebiger Brennstoffzellen.»