Brennstoffzellen mit Mitteltemperaturmembranen (MT-PEMFC)

Projektdauer: 01.06.2010 – 30.05.2013

Geldgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Bearbeiter: Dipl.-Chem. K. Aniol, M. Sc. K. Krajinovic, Dr. V. Atanasov und Dr. J. Kerres

Forschungsziel:

Ziel des avisierten Projekts ist die Erarbeitung neuer Konzepte für stabile protonenleitende Polymere und Membranen, die in PEM-Brennstoffzellen bei Temperaturen von über 100°C (100 – 150°C: Mitteltemperatur(MT-)brennstoffzellen; 130 – 200°C: Hochtemperatur(HT) brennstoffzellen) und damit im Falle von MT-H2-PEM unter verminderter Befeuchtung und im Falle von MT-DMFC unter erhöhtem Druck mit gutem Wirkungsgrad eingesetzt werden können.

Um das Projektziel zu erreichen, ist eine 4-Säulen-Strategie geplant, wobei für jede Säule ein spezielles Membrankonzept steht.

Säule 1

Phosphonsäure komposite für MT-PEMFC

Säule 2

Säure(Überschuß)-Base-Komposite für MT-DMFC

Säule 3

Basen(Überschuß)-Säure-Komposite für MT-PEMFC

Säule 4

Polymer-Ionischen Flüssigkeiten-Komposite für MT-PEMFC

1. Säule: Phosphonierte Polymermembranen und Phosphonsäurehybridmembranen für MT-H2-PEMFC und MT-DMFC im Temperaturbereich 90 - 130°C

Die phosphonierten Polymermembranen umfassen zum Einen hochmolekulare phosphonierte/sulfonierte Systeme, bei denen die Phosphonsäuregruppierung in ein Arylhauptkettenhomo- oder Blockcopolymer eingeführt wird, und zum Anderen Systeme, in denen ein (Het)arylhauptketten(blockco)polymer mit niedermolekularen Phosphonsäuren dotiert wird.

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2. Säule: Säureüberschuss-Säure-Base-Blendmembranen und saure und basische Nanophasen enthaltende Blockcopolymermembranen für MT-DMFC (80 – 150°C) unter erhöhtem Druck

Die Säure-Base-Blendmembranen bestehen aus einem Homo- oder Blockcopolymer, das mit sauren Gruppen (SO3H-Gruppen und/oder PO3H2-Gruppen) modifiziert ist, und einem oder mehreren Polymeren, das bzw. die basische Gruppen aufweisen (z. B. Imidazolgruppen, Pyridingruppen, primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppen). Die sauren Gruppen geben ein Proton an das freie Elektronenpaar der basischen Gruppe ab, wobei Salzgruppen (ionische Vernetzungsstellen) zwischen den sauren und basischen Gruppen entstehen. Im Fall der Säure-Überschuss-Blendmembranen fungiert das saure Polymer als H+-Leiter und die Polymerbase als ionischer Vernetzer:

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3. Säule: Basenüberschuss-Base-Säure-Blendmembranen, die mit H3PO4 und ggf. niedermolekularer Phosphonsäure dotiert sind, für MT-H2-PEMFC im Temperaturbereich 90 – 200°C

Polybenzimidazole (PBI) werden mit einem sulfonierten und/oder phosphoniertem Homo- oder Blockcopolymer geblendet, wobei das PBI im Überschuss vorliegt, um ionisch vernetzte Blendmembranen zu erhalten, bei denen das saure Polymer als makromolekularer Vernetzer fungiert.

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4. Säule: Komposite aus sulfonimidierten Polymeren mit Ionischen Flüssigkeiten (IL), für MT-H2-PEMFC im Temperaturbereich 100 – 150°C 

Neue hochstabile Arylenhauptkettenpolymere (Homo- und Blockcopolymere) sollen mit stark sauren Sulfongruppen modifiziert werden, um über eine Säure-Base-Wechselwirkung Imidazol-basierte Ionische Flüssigkeiten anzubinden. Die IL sollen noch zusätzliche -SO3H oder -PO3H2-Gruppen aufweisen, um die Protonenleitfähigkeit der Kompositmembran im Temperaturbereich 100 – 150°C auf für Brennstoffzellen benötigte Werte zu erhöhen.

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