Brennstoffzellen

Gas2Power, Automotive, Katalyse, schadstofffreie Stromerzeugung

Die Entwicklungen im Bereich der Elektromobilität erfordern neue Konzepte zur Gewinnung und Speicherung elektrischer Energie. Im Vergleich zu den gängigen Batteriespeichern stellen Brennstoffzellen eine Alternative zur Stromerzeugung dar. Durch die Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff wird in ihnen elektrische Energie gewonnen, so dass Elektrofahrzeuge auch ohne schwere Batterie und lange Ladeprozesse elektrisch mobil sein können.

Für die Umwandlung der Reaktionsenergie in elektrische Energie müssen die Reaktionsgase innerhalb der Brennstoffzelle durch Membranen getrennt vorliegen. In sogenannten Feststoffpolymer-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC); Solid Polymer Fuel Cell, SPFC) dienen polymerbasierte Membranen als Elektrolyt, d.h. als Transportmedium für katalytisch erzeugte Protonen. Bereits geringe Verunreinigungen können allerdings zu einem Versagen der Membranen und somit der Brennstoffzelle führen, wie folgendes Beispiel aus unserem Analysealltag zeigt:

Fuel Cell - Brennstoffzelle

Ausfall einer Elektrolytmembran

Ursachenforschung mit der XPS

Bei Versuchsreihen zur Optimierung von SPFCs wurde ein sulfoniertes Polyetheretherketon (sPEEK) als besonders geeignete Membran identifiziert. Bei der Umstellung der Produktion von der Labor- auf die Kleinserienfertigung erwiesen sich die elektrolytischen Eigenschaften der verwendeten sPEEK Membran allerdings als unzureichend. Mit Hilfe der XPS sollte der Grund für die mangelnde Leitfähigkeit der in der Kleinserie verwendeten Elektrolytmembran ermittelt werden. Hierzu wurde ein Vergleich von funktionalen Membranen der Laborfertigung (Referenz) mit Ausfallteilen der Kleinserienfertigung durchgeführt.

Die Analyse des C 1s Signale einer sPEEK Referenz und der Membran zeigte deutliche Unterschiede in den Peakformen, die auf eine Fremdkontamination der Oberflächen hindeutete. Weitere Untersuchungen ergaben, dass es sich bei dieser Kontamination um Polyethylenterephthalat (PET) handelte. Wie die Abbildung der C 1s Signale aller Polymerproben zeigt, kann PET anhand des COO-Signals (C5) eindeutig von sPEEK unterschieden werden. Aus der quantitativen Analyse der XPS-Daten der Membran ließ sich eine PET Belegung der Oberfläche von 10 % ableiten. Als Ursprung der PET-Kontamination wurde eine bei der Membranherstellung verwendete PET-Trägerfolie identifiziert. Durch einen Wechsel des Materials der Trägerfolie konnte das Kontaminationsproblem schließlich gelöst werden.

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