Zeitschrift für Grundlagen erneuerbarer Energien und Anwendungen
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Abstrakt

Phosphonierte SBA-15/PSEBS-Verbundmembranen für Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen

Dharmalingam Sangeetha

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) werden aufgrund ihrer Portabilität, ihres geräuschlosen Betriebs und ihrer hohen Leistungsdichte zunehmend zu einer attraktiveren Energiequelle für die Zukunft. Es wurden Anstrengungen unternommen, um ihre Effizienz zu verbessern und die Technologie erschwinglich zu machen. Im Zusammenhang mit der Effizienz von Brennstoffzellen spielen verschiedene Parameter eine Rolle, von denen die Betriebstemperatur von größter Bedeutung ist. Insbesondere Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen (HTPEMFC) haben größere Vorteile wie höhere Effizienz, verbesserte Toleranz der Elektroden gegenüber Kohlenmonoxidvergiftung, schnellere Reaktionskinetik und effektive Wärmeübertragung. Da die Protonenleitfähigkeit häufig verwendeter perfluorierter Membranen wie Nafion stark von externer Befeuchtung abhängt, ist ihre Betriebstemperatur auf 100 °C begrenzt. Eine der größten Herausforderungen bei PEMFC besteht deshalb darin, eine thermisch stabile Membran herzustellen, die bei Temperaturen über 100 °C unter wasserfreien Bedingungen betrieben werden kann.

In der vorliegenden Arbeit werden phosphonierte SBA-15/phosphonierte Poly(Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol)-Verbundmembranen (PSEBS) für den Elektrolyten von Brennstoffzellen mit hohen Temperaturen entwickelt. Mesoporöses Santa Barbara Amorphous (SBA-15) wurde synthetisiert und in einem einfachen zweistufigen Verfahren, das Chlormethylierung und anschließende Phosphonierung umfasst, mit Phosphonat-Funktionalitäten gepfropft. Das phosphonierte SBA-15 (PSBA-15) wurde mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Festkörper-13C-Kernspinresonanz (NMR), 29Si-NMR und 31P-NMR charakterisiert, um eine erfolgreiche Modifizierung zu bestätigen. Morphologische Merkmale wurden mittels Kleinwinkel-Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Transmissionselektronenmikroskopie-TEM-Analysen verifiziert. Als Basispolymer wurde Poly(Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol) (PSEBS) gewählt und Phosphonsäure-Funktionsgruppen wurden mit dem oben beschriebenen Verfahren auf das Polymer aufgepfropft, wobei Chlormethylgruppen (-CH2Cl) mithilfe der Alkylierung nach Friedel Craft an die Hauptkette gebunden wurden, gefolgt von der Phosphonierung des chlormethylierten Polymers durch die Michaels-Arbuzov-Reaktion, wodurch phosphoniertes PSEBS (PPSEBS) entstand. Die Funktionalisierung wurde mithilfe von NMR- und FTIR-Spektroskopiestudien bestätigt. PPSEBS/PSBA-15-Kompositmembranen wurden mit unterschiedlichen Füllstoffkonzentrationen (2, 4, 6 und 8 %) PSBA-15 hergestellt. Im Hinblick auf Brennstoffzellenanwendungen wurden verschiedene Studien wie Wasseraufnahme, Ionenaustauschkapazität und Protonenleitfähigkeit der Kompositmembranen durchgeführt. Die Untersuchungen ergaben, dass die PPSEBS/PSBA-15-Membran mit 6 Gew.-% Füllstoff bei 140 °C eine maximale Protonenleitfähigkeit von 8,62 mS/cm aufwies. Schließlich wurde eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) aus PPSEBS/6 % PSBA-Verbundmembran, Platin (Pt)-Anode und Pt-Kathode hergestellt und in einem selbstgebauten Brennstoffzellenaufbau getestet  . Bei 140 °C unter unbefeuchteten Bedingungen wurde eine maximale Leistungsdichte von 226 mW/cm2 und eine Leerlaufspannung von 0,89 V erreicht.