Ziel der Entwicklung

In Hinblick auf die Reduzierung von CO2-Emissionen und die Schonung fossiler Ressourcen stellen Brennstoffzellen eine wichtige Technologie und Ergänzung zur Batterietechnik dar. Insbesondere für die Entwicklung alternativ betriebener Fahrzeuge besteht großes Interesse an Brennstoffzellen.
Für den Einsatz in Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen kommen hauptsächlich wasserstoffbetriebene Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC), auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen genannt, in Frage. Dies ist durch ein geringes Gewicht, kurze Startzeiten, hohe Energiedichten und eine gute Korrosionsbeständigkeit bedingt. Diesen Vorteilen stehen jedoch hohe Materialkosten gegenüber, die zu einem großen Teil auf den Katalysator- und Membrankosten beruhen.
Bei dem am häufigsten verwendeten Membranmaterial in PEMFCs handelt es sich um das perfluorierte Polymer NafionTM. Die hohe Protonenleitfähigkeit und ausgezeichnete Beständigkeit unter den herausfordernden Betriebsbedingungen in Brennstoffzellen sind Gründe für die Bevorzugung von NafionTM als Membranmaterial. Die aufwendige Herstellung der perfluorierten Polymere ist jedoch mit hohen Kosten verbunden.
Per- und polyfluorierte Stoffe (PFAS), zu denen auch NafionTM zählt, geraten jedoch zunehmend in die Kritik. So wurde im Januar 2023 ein Beschränkungsverbot für PFAS bei der ECHA vorgelegt. Ein Verbot von PFAS stellt Produzenten sowie Endanwender von Brennstoffzellen vor eine große Herausforderung. Folglich besteht Bedarf für eine fluorfreie Alternative für NafionTM, welche die chemischen und thermischen Anforderungen für den Einsatz in PEMFCs erfüllt und eine hohe Protonenleitfähigkeit aufweist.
Die entwickelte Silikonmembran sollte im Einzelnen folgende Eigenschaften aufweisen:

hohe Dichtheit gegenüber Druckluft (Nafion®-Membran mit vergleichbarer Dicke als Referenz)
geringe Quellrate (< 20 % bei Raumtemperatur)
hohe Wasseraufnahme (> 25 % bei Raumtemperatur)
Ionenaustauschkapazität (IEC) > 0,9 mmol/g
hohe Protonenleitfähigkeit (> 0,1 S/cm, 70 °C)
gute Säurestabilität (pH-Wert 3, 70 °C, 500 h)

Vorteile und Lösungen

Der Lösungsansatz bestand in der Verwendung von Silikon als Polymerbasis für die Membranentwicklung. Silikon wurde aufgrund seiner hohen Beständigkeit, Dimensionsstabilität und Kettenflexibilität ausgewählt. Über die Modifizierung von kommerziellen Silikonstrukturen mit Sulfonsäuregruppen sollte eine Protonenleitung realisiert werden. Eine Verarbeitung der entwickelten Silikonformulierungen mittels Streichbeschichtung sollte eine kostengünstige Membranherstellung ermöglichen.
Um eine ausreichende Gasbarriere für den Einsatz in Brennstoffzellen zu gewährleisten, sollten für die Membranentwicklung verschiedene Silikonstrukturen berücksichtigt werden. Als Ausgangsmaterialien sollten vorrangig Silikone zum Einsatz kommen, welche eine deutlich geringere Gaspermeabilität als Polydimethylsiloxan (PDMS) aufweisen. Im Fokus stand dabei der Einsatz von Phenylsilikonen.
Im Projekt konnte gezeigt werden, dass Silikonmembranen großes Potenzial für Brennstoffzellenanwendungen besitzen. Dafür spricht das sehr gute Wasseraufnahme- und Quellverhalten sowie die thermische und oxidative Stabilität der entwickelten Membranen. Zudem konnten Silikonmembranen entwickelt werden, die eine deutlich höhere Gasdichtheit gegenüber Membranen aus herkömmlichen Polydimethylsiloxanen aufweisen.
Jedoch gelang es über den im Projekt verfolgten Lösungsweg nicht, die entwickelten sulfonathaltigen Membranen in die protonenleitende Säureform zu überführen. Die Prüfung der Langzeitstabilität zeigte zudem, dass über die durchgeführte Hydrosilylierungsreaktion nicht die gesamte Sulfonatsalzmenge langzeitstabil eingebunden werden konnte. Mögliche Gründe dafür stellen eine unzureichende Mischbarkeit zwischen Silikon und Sulfonatsalz sowie eine Inhibierung des Platinkatalysators durch die Sulfonatgruppen dar.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das größte Anwendungspotential einer fluorfreien Protonenaustauschmembran besteht für den Einsatz in PEMFC-betriebenen Fahrzeugen. Für die nächsten Jahre wird ein starkes Wachstum des globalen Brennstoffzellenfahrzeug-Marktes erwartet.
Im Projekt konnte das Potenzial von Silikonmembranen für Brennstoffzellenanwendungen, welche u. a. eine geringe Quellrate sowie eine gute thermische und oxidative Beständigkeit fordern, aufgezeigt werden. Da in der Projektlaufzeit jedoch eine Überführung der Membran in die protonenleitende Form nicht realisiert werden konnte, ist eine wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse für Transferunternehmen in den nächsten drei Jahren nicht möglich. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass mit einem neuen Synthesekonzept und einer alternativen Vernetzungsstrategie im Rahmen eines geplanten Folgeprojektes eine protonenleitende, fluorfreie Membran entwickelt werden kann.
Das Forschungsvorhaben hat zu einer Erweiterung der Kompetenz des Institutes auf dem Gebiet der Entwicklung von Silikonformulierungen geführt, woraus neue Forschungsprojekte resultieren werden. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse wurden für die Beantragung eines Forschungsprojektes genutzt, welches die Mischbarkeitsprobleme von Silikonen mit andersartigen Strukturen sowie die Vernetzung mit Platin-inhibierenden Strukturen (z. B. Schwefelverbindungen) thematisiert.