Neuartiges Proton

Forscher synthetisierten protonenleitende Membranen auf Basis teilweise fluorierter aromatischer Ionomere, die eine hohe Haltbarkeit und Ionenleitfähigkeit aufweisen

Waseda-Universität

Bild: Die vorgeschlagene Verbundmembran erfüllt das äußerst anspruchsvolle technische Ziel des US-Energieministeriums für den Einsatz in Automobil-Brennstoffzellen bis 2025 und ebnet den Weg für leistungsstarke und erschwingliche Elektrofahrzeuge.mehr sehen

Bildnachweis: Kenji Miyatake von der Waseda-Universität und der Universität Yamanashi

Brennstoffzellen sind kompakte Energieumwandlungseinheiten, die saubere Energiequellen wie Wasserstoff nutzen und diese durch eine Reihe von Oxidations-Reduktions-Reaktionen in Elektrizität umwandeln. Insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs), ein integraler Bestandteil von Elektrofahrzeugen, nutzen protonenleitende Membranen für den Betrieb. Leider besteht bei diesen Membranen ein Kompromiss zwischen hoher Haltbarkeit und hoher Ionenleitfähigkeit, was sich auf die Lebensdauer und Leistung von PEMFCs auswirkt.

Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler chemisch und physikalisch modifizierte Perfluorsulfonsäure-Polymermembranen wie Nafion HP, Nafion XL und Gore-Select synthetisiert, die sich als viel haltbarer erwiesen haben als unmodifizierte Membranen, die herkömmlicherweise im Brennstoffzellenbetrieb eingesetzt werden. Leider hat keine der bestehenden protonenleitenden Membranen das äußerst anspruchsvolle technische Ziel erreicht – das Bestehen eines beschleunigten Haltbarkeitstests oder eines kombinierten chemischen und mechanischen Tests – das vom US-Energieministerium (DOE) festgelegt wurde, um ihren Einsatz in Automobilbrennstoffzellen zu erleichtern 2025.

Vor diesem Hintergrund hat eine Gruppe japanischer Forscher unter der Leitung von Professor Kenji Miyatake von der Waseda-Universität und der Universität Yamanashi kürzlich neuartige protonenleitende Membranen für PEMFCs synthetisiert. Ihre in der Zeitschrift Science Advances veröffentlichte Arbeit wurde von Dr. Liu Fanghua von der Waseda-Universität und der Universität Yamanashi und Dr. Ick Soo Kim von der Shinshu-Universität gemeinsam verfasst.

Die Forscher synthetisierten protonenleitende Membranen unter Verwendung eines teilweise fluorierten aromatischen Ionomers (Polymermaterial aus thermoplastischen Harzen, die durch ionische Vernetzungen stabilisiert werden) namens SPP-TFP-4.0 (SPP: sulfoniertes Polyphenylen, TFP: Bis(trifluormethyl)terphenylen). Anschließend nutzten sie das Push-Coating-Verfahren, um das Ionomer entweder mit elektrogesponnenen, nicht gewebten und isotropen Poly(vinylidenfluorid) (PVDF)-Nanofasern mit hoher Porosität (78 %) oder mit porösem expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) zu verstärken. Dies führte zu Verbundmembranen, SPP-TFP-4.0-PVDF und SPP-TFP-4.0-ePTFE, mit einer Dicke von 14 bzw. 16 µm.

Die Forscher führten eine Vielzahl von Tests mit diesen protonenleitenden Membranen durch und zeigten, dass die mit PVDF verstärkte Membran überlegen ist. „Sie übertraf die hochmoderne chemisch stabilisierte und physikalisch verstärkte perfluorierte Nafion XL-Membran in Bezug auf den Brennstoffzellenbetrieb und die chemische In-situ-Stabilität bei einer hohen Temperatur von 120 °C und einer niedrigen relativen Luftfeuchtigkeit von 30 %“, betont Miyatake .

Die SPP-TFP-4.0-PVDF-Membran zeigte im beschleunigten Haltbarkeitstest mit häufigen Nass-Trocken-Zyklen unter Leerlaufspannungsbedingungen eine lange Lebensdauer von 148.870 Zyklen oder 703 Stunden – mehr als siebenmal länger als die des DOE-Ziels. Darüber hinaus wies es eine hohe chemische Stabilität bei geringer Zersetzung, eine stabile Bruchenergie bei verschiedenen Luftfeuchtigkeitsniveaus, äußerst stabile mechanische Eigenschaften von null bis 60 % relativer Luftfeuchtigkeit bei 80 °C und eine hervorragende Brennstoffzellenleistung bei hohen Temperaturen (100–120 °C) auf.

Tatsächlich erfüllt die vorgeschlagene verstärkte protonenleitende Membran auf der Basis eines aromatischen Polymers das Ziel des US-amerikanischen Energieministeriums für künftige Automobilbrennstoffzellen und stellt eine lukrative Alternative dar. Somit könnte diese Studie den Weg für PEMFCs mit Hochtemperaturbetriebsfähigkeit und Haltbarkeit ebnen. „Dadurch könnten Elektrofahrzeuge auf Brennstoffzellenbasis leistungsfähiger und erschwinglicher werden. Dies würde auch zur Verwirklichung einer wasserstoffbasierten, kohlenstofffreien Gesellschaft beitragen“, schließt ein optimistischer Miyatake.

Auch wir hoffen, dass solche hocheffizienten Elektrofahrzeuge mit leistungsstarken, langlebigen und nachhaltigen Brennstoffzellen bald Realität werden!

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Referenz

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adg9057

Autoren: Fanghua Liu1,2, Ick S. Kim3 und Kenji Miyatake1,4,5

Zugehörigkeiten:

1Clean Energy Research Center, Universität Yamanashi

2Forschungsorganisation für Nano- und Lebensinnovation

3Nano Fusion Technology Research Group, Institut für Fasertechnik, Interdisziplinärer Cluster für Spitzenforschung, Shinshu-Universität

4Fuel Cell Nanomaterials Center, Universität Yamanashi

5Abteilung für Angewandte Chemie und Forschungsinstitut für Wissenschaft und Technik, Waseda University

Über die Waseda-Universität Die Waseda-Universität liegt im Herzen von Tokio und ist eine führende private Forschungsuniversität, die sich seit 1882 auf akademischer Exzellenz, innovativer Forschung und bürgerschaftlichem Engagement auf lokaler und globaler Ebene verschrieben hat. Die Universität hat in ihrer Geschichte viele Veränderer hervorgebracht, darunter neun Premierminister und viele Führungskräfte aus Wirtschaft, Wissenschaft und Technologie, Literatur, Sport und Film. Waseda unterhält enge Kooperationen mit ausländischen Forschungseinrichtungen und setzt sich dafür ein, Spitzenforschung voranzutreiben und Führungskräfte auszubilden, die zur Lösung komplexer, globaler sozialer Probleme beitragen können. Die Universität hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2032 einen CO2-freien Campus zu erreichen, im Einklang mit den 2015 von den Vereinten Nationen verabschiedeten Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs).

Um mehr über die Waseda-Universität zu erfahren, besuchen Sie https://www.waseda.jp/top/en

Über Professor Kenji Miyatake Kenji Miyatake ist derzeit Professor am Clean Energy Research Center der Universität Yamanashi, wo er 2001 als außerordentlicher Professor tätig war. Außerdem ist er Professor an der Waseda-Universität, wo er seinen Ph.D. erhielt. Abschluss in Chemie im Jahr 1996. Von 1999 bis 2001 war er Postdoktorand der Japan Society for the Promotion of Science an der McGill University. Er hat mehr als 200 Forschungsartikel veröffentlicht, die über 10.000 Mal zitiert wurden. Er ist außerdem Fellow der Royal Society of Chemistry.

Wissenschaftliche Fortschritte

10.1126/sciadv.adg9057

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Mit Poly(vinylidenfluorid)-Nanofasern verstärkte protonenleitende aromatische Membranen für leistungsstarke, langlebige Brennstoffzellen

26. Juli 2023

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen

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