In einem von der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO) in Auftrag gegebenen Projekt haben Forscher der Nagoya University in Japan Poly(styrolsulfonsäure)-basierte PEMs mit einer hohen Dichte an Sulfonsäuregruppen entwickelt.
Eine der Schlüsselkomponenten umweltfreundlicher Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen ist eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Es erzeugt elektrische Energie durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff- und Sauerstoffgasen. Beispiele praktischer Brennstoffzellen umfassen Brennstoffzellenfahrzeuge (FCVs) und Brennstoffzellen-Kraft-Wärme-Kopplungs-(CHP)-Systeme.
Die bekannteste PEM ist eine Membran auf Basis eines Perfluorsulfonsäure-Polymers wie Nafion, das in den 1960er Jahren von DuPont entwickelt wurde. Es hat eine gute Protonenleitfähigkeit von 0,1 S/cm bei 70-90 °C unter befeuchteten Bedingungen. Unter diesen Bedingungen können aus Sulfonsäuregruppen Protonen freigesetzt werden.
Die Protonenleitung in solchen Membranen hängt typischerweise vom Protonentransportmechanismus zwischen Protonen, Sulfonsäuregruppen und Wassermolekülen ab. Je höher die Dichte der Sulfonsäuregruppen in der Membran ist, desto höher ist typischerweise die Dichte an Protonen, die von den Sulfonsäuregruppen freigesetzt werden können; daher führt die höhere Dichte der Sulfonsäuregruppen gewöhnlich zu höheren Protonenleitfähigkeiten.
Jedoch ist es unter Verwendung eines herkömmlichen Syntheseverfahrens schwierig, PEMs mit einer hohen Dichte an Sulfonsäuregruppen zu synthetisieren. Um beispielsweise die Dichte von Sulfonsäuregruppen in einer PEM auf Poly(styrolsulfonsäure)-Basis zu erhöhen, muss die Sulfonierungsreaktion über lange Stunden oder unter strengen Bedingungen durchgeführt werden. Dabei kommen meist stark oxidierende Substanzen wie rauchende Schwefelsäure und Chlorsulfonsäure zum Einsatz.
Unglücklicherweise führt dies zu unerwünschten Nebenreaktionen, wie beispielsweise einer Spaltung der Hauptketten des Polymers. Um unerwünschte Nebenreaktionen während der Polymersynthese zu vermeiden, werden daher im Handel erhältliche PEMs üblicherweise so synthetisiert, dass sie eine geringe Dichte an Sulfonsäuregruppen aufweisen. Für im Handel erhältliche PEMs auf Nafion- oder Poly(styrolsulfonsäure)-Basis, wie Selemion von AGC, beträgt die Ionenaustauschkapazität (IEC), ein Index der Dichte von Säuregruppen, typischerweise weniger als 1,0 meq/g.
In der Veröffentlichung haben Atsushi Noro und Kollegen von der Graduate School of Engineering der Nagoya University und von den Institutes of Innovation for Future Society, ebenfalls der Nagoya University, eine auf Poly(styrolsulfonsäure) basierende PEM mit einer ultrahohen Dichte an Sulfonsäuregruppen entwickelt.
Der IEC der PEM betrug 5,0 meq/g. Dies ist fünfmal höher als der IEC von typischen kommerziell erhältlichen PEMs wie Nafion oder Selemion. Seine Protonenleitfähigkeit bei 80°C unter 90% relativer Luftfeuchtigkeit (eine übliche Betriebsbedingung für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen) betrug 0,93 S/cm. Dies ist sechsmal höher als die Leitfähigkeit von Nafion (0,15 S/cm) oder Selemion (0,091 S/cm) unter den gleichen Messbedingungen.
Zukünftige Brennstoffzellen müssen unter strengeren Betriebsbedingungen wie höheren Temperaturen und niedrigeren Feuchtigkeiten betrieben werden. Diese Studie wird zur Synthese und Entwicklung von Hochleistungs-PEMs der nächsten Generation beitragen, die unter solch schwierigen Bedingungen eine gute Leitfähigkeit von 0,1 S/cm oder höher aufweisen. Die Studie wird auch zum Ziel beitragen, eine Netto-Null-CO2-Gesellschaft zu erreichen.
Mehr Informationen:
Synthese einer vernetzten Polymerelektrolytmembran mit ultrahoher Dichte an Sulfonsäuregruppen, ACS Angewandte Polymermaterialien (2023). DOI: 10.1021/acsapm.3c00150