Wie lassen sich Brennstoffzellen effizienter und langlebiger machen – und welche Rolle spielt dabei eine nur wenige Mikrometer dünne Membran? Dieser Frage ist eine aktuelle Studie* der Universität Duisburg-Essen und des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik nachgegangen. Sie wurde von Nanowissenschaftler:innen um Dr. Fatih Özcan geleitet. Dank einer neuen Methode gelang es ihnen, Membraneffekte erstmals systematisch zu analysieren. Das Fachjournal Energy Advances berichtete.
Brennstoffzellen gelten als Schlüsseltechnologie für eine klimaneutrale Energieversorgung. Eine besonders wichtige Variante sind sogenannte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). Sie wandeln Wasserstoff effizient in Strom um und könnten vor allem im Verkehr und in der stationären Energieversorgung wichtig werden. Im Inneren der PEMFC sorgt eine dünne Kunststoffmembran dafür, dass nur Protonen hindurchgelangen, während Elektronen außen entlangfließen und so Strom entsteht. Die Eigenschaften der unverzichtbaren Membran bestimmen maßgeblich Leistung, Effizienz und Lebensdauer.
Bisher war es jedoch schwierig, den Einfluss der Membran zu untersuchen, da sich viele Prozesse überlagern. Das Team um Dr. Fatih Özcan vom Lehrstuhl für Partikeltechnik (Prof. Doris Segets) der Universität Duisburg-Essen (UDE) entwickelte daher mit weiteren Forschenden der UDE und dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) eine neue Methode: Statt die gesamte Brennstoffzelle zu analysieren, untersuchten sie gezielt die Kathode in einer vereinfachten Testumgebung. So ließ sich der Einfluss der Membran klar isolieren.
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.
„Unsere Ergebnisse zeigen: Die Membran bringt zusätzliche Widerstände ins System und beeinflusst die Leistung maßgeblich“, erklärt Doktorandin und Erstautorin Yawen Zhu. „Überrascht hat uns jedoch, dass der größte Teil des zusätzlichen elektrischen Widerstands nicht durch die Dicke der Membran entsteht, sondern bereits durch ihre bloße Anwesenheit – genauer gesagt durch die Kontaktflächen zwischen Membran und Elektrode.“
Die Membrandicke wirkt sich vor allem 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 Dr. Fatih Özcan, Letztautor der Studie. „Unsere Forschung belegt, dass Membranen weit mehr sind als passive Bauteile. Sie liefert zugleich wichtige Ansatzpunkte für die Entwicklung leistungsfähigerer und langlebiger Brennstoffzellen.“
* Die Studie ist ein Teilergebnis des Projekts R2R-CCM, das von 2022-2024 vom nordrheinwestfälischen Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie gefördert wurde. An der in Energy Advances veröffentlichten Studie beteiligt waren Wissenschaftler:innen des Lehrstuhls für Partikeltechnik am Institut für Energie- und Materialprozesse, des Center for Nanointegration (CENIDE), des Interdisciplinary Center for Analytics on the Nanoscale (ICAN) sowie des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik (ZBT).