fumapem® High Performance Membranen für die Brennstoffzelle

Perfluorsulfonsäure / PTFE-Copolymer ist das Standardpolymermaterial für Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellenanwendung. Die Membranen zeichnen sich durch hohe chemische und mechanische Beständigkeit aus, die zudem durch die Anwendung eines Verstärkungsgewebes verbessert werden kann, um das Handling und die Langlebigkeit der Produkte zu sichern.

Membranmaterialien für LT-PEM
Die Membran für beide Anwendungen in Brennstoffzellen ist basierend auf PFSA Polymer, welches als Langseitenkette (LSC) oder als Kurzseitenkette (SSC) zur Verfügung steht. Für stationäre Anwendungen wurde das LSC PFSA historisch seit dem Jahr 1990 verwendet. Die auf diesem Polymertyp durch FUMATECH hergestellte Membran ist die fumapem F-940-RFS. Diese ist umfassend durch verschiedene elektrochemische Methoden charakterisiert und zeigt sehr gute Beständigkeit bezüglich chemische und mechanische Stabilität.

Für Anwendungen, die eine höhere Toleranz in Bezug auf Leistungsdichte und relative Luftfeuchtigkeit benötigen, ist das SSC PFSA das geeignete Rohmaterial. Die Membran fumapem FS-930-RFS zeigt geringen Widerstand und eine besonders gute Fähigkeit, mit kurzfristigen Schwankungen der Luftfeuchtigkeit während des Betriebs ohne Leistungseinbußen fertig zu werden.

Beide Membranen, F-940-RFS und FS-930-RFS, wurden unter verschiedenen Stressbedingungen mit hervorragendem Ergebnis in Bezug auf voraussichtliche Lebensdauer getestet. Für automobile Anwendung wird typischerweise die Kurzseitenkettenmembran fumapem FS-715-RFS verwendet.

Die 15 µm dünne verstärkte Membran zeichnet sich durch besonders geringen Widerstand und die Fähigkeit der Selbstbefeuchtung unter trockenen Bedingungen aus, selbst bei hohen Stromdichten. Das an der Kathode erzeugte Wasser trägt dazu bei, die Leitfähigkeit der Membran zu erhöhen. Unter der Berücksichtigung der geringen Dicke zeigt die Membran sehr gute mechanische Eigenschaften und niedrigen Wasserstoffübergang, selbst bei unterschiedlichen Bedingungen.

Einige Marine- und Luftfahrtanwendungen nutzen die fumapem PFSA Membranen mit einer Dicke von 80 bis 120 µm, da eine hohe Zuverlässigkeit erforderlich ist. Das System läuft mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff, und die Brennstoffzelle wird auf der Kathodenseite bei erhöhtem Druck betrieben. Sowohl LSC als auch SSC Materialien, entweder als einfache Folie oder verstärkte Membran, erfüllen die Zielwerte bezüglich Leistung, Lebensdauer, Druckbetrieb und einem sehr geringen Wasserstoffübergang. Alle fumapem Brennstoffzellenmembranen lassen sich gut mit den bekannten Verfahren zur MEA-Herstellung bearbeiten, wie zum Beispiel Heißpressen mit GDE, Decal-Verfahren oder Direktbeschichtung der Membran mit Katalysator. Ausgewählte Eigenschaften der fumapem PEMFC Membranen sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.

Kohlenwasserstoff-Membranen werden aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften in speziellen Brennstoffzellen eingesetzt wie beispielsweise Hochtemperatur-PEM ohne Befeuchtung über 150°C oder in DMFC Anwendung bei niedrigem Cross-Over des eingesetzten Brennstoffes.

Hochtemperatur-Protonen-Austausch-Membranen (HTPEM) sind der Kern der Brennstoffzellen oberhalb von 150°C. Wie in der klassischen PEM Brennstoffzelle wird Wasserstoff an der Anode elektrochemisch zu Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Protonen werden durch die Membran zur Kathode transportiert, während die Elektronen über den externen Leiter den Strom erzeugen. An der Kathode kombinieren die Protonen mit den Elektronen und reagieren weiter mit Sauerstoff zu Wasser und Wärme. Bezüglich der Wasserstofferzeugung gibt es zwei unterschiedliche Verfahren. Einerseits wird Wasserstoff mittels Dampfreformierung aus Erdgas erzeugt. Andererseits kann der Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse von Wasser erzeugt werden. Die HTPEM Technologie ist besonders interessant in Kopplung mir Erdgas da es ohne zusätzliche teure Peripherie wie Oxidationskatalysator zur Entfernung des Kohlenmonoxids aus dem Reformat auskommt, da die Anode eine hohe Konzentration von Substanzen wie CO und CO2 ohne großen Leistungsverlust aufnehmen kann. Auch wird im Vergleich zum Niedertemperatur-PEM-System keine zusätzliche Befeuchtung erforderlich und das Wärmemanagement wird vereinfacht. Die HTPEM Technologie hat einen Wirkungsgrad von annähernd 90%, berechnet als kombinierte Ausbeute von Strom und Wärme.

Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) sind besonders interessant für tragbare Anwendungen da sie sehr bequem als Energiequelle an jedem Ort eingesetzt werden können, wo kein Strom oder Erdgas verfügbar ist. Als Kraftstoff wird Methanol verwendet, das an der Anode zu Protonen und CO2 umgewandelt wird, während der Strom erzeugt wird. An der Kathode kombinieren Protonen und Elektronen und oxidieren mit Sauerstoff zu Wasser, während Wärme freigesetzt wird.

Membranmaterialien für HTPEM
Es gibt zwei Polymermaterialien, die für diese Art von Technologie verwendet werden können. Beide sind auf Basis von Poly-Benzimidazol (PBI). Die klassische Membran aus PBI ist fumapem AP und die neue aus ultrahoch-molekularem PBI fumapem AM. passt, ist fumapem AM für den Betrieb mit ausgeglichener Feuchtigkeit sowohl kathoden- als auch

Während die fumapem AP auf den nasse Anodenbetrieb anodenseitig und für seine hervorragende Beständigkeit gegenüber Temperatur oberhalb von 170 ° C vorteilhaft. Beide Membranen zeichnen sich durch sehr gute thermische Stabilität und Leitfähigkeit aus. Sehr hohe Leistung kann mit beiden Membrantypen über einen Zeitraum von 3.000 - 20.000 Betriebsstunden erreicht werden, je nach Betriebsbedingungen.

Membranmaterialien für DMFC
Eine der wichtigsten Eigenschaften von Membranen für DMFC Anwendung ist der hohe Rückhalt des Brennstoffs auf der Anodenseite, da möglicher Cross-Over nicht nur die Effizienz verringert, sondern auch das Risiko von Betriebsstörungen erhöht. Aus diesem Grund ist eine robuste Membran, die nicht durch übermäßige Quellung oder Schrumpfung anfällig ist, die Schlüsselkomponente jedes DMFC-Systems. Es gibt zwei Membranen für diese Anwendung. fumapem E-730 ist gekennzeichnet durch ein sehr geringen Methanol-Cross-Over und eine gute Leistung, fumapem F-1850 zeichnet sich durch mäßigen Methanol-Cross-Over aber sehr gute Performance aus.

 

 

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