Dünne Membran ermöglicht Wasserstoffbrennstoffzellen Betrieb bei 482 Grad Fahrenheit

Im Gegensatz zu Solar- und Windenergie können Brennstoffzellen bedarfsgerecht eingesetzt werden und versorgen eine breite Palette,,. Brennstoffzellen sind leicht und tragbar, doch Leistungsgrenzen haben ihre Verbreitung verlangsamt.

Wasserabhängige Systeme: Membranen in Brennstoffzellen erfüllen die wichtigste Funktion, nämlich den Transport ötigen jedoch Wasser, um diese Aufgabe zu erfüllen. Da Wasser bei höheren Temperaturen verdampft, haben Brennstoffzellen Schwierigkeiten, unter diesen Bedingungen zu arbeiten, was ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränkt.

Forscher der Monash University haben dieses Problem direkt angegangen, indem sie atomar dünne Nanoblätter entwickelten, die für den Protonentransport kein Wasser benötigen. Zwar wurden Nanoblätter bereits zuvor hergestellt, doch auch sie litten unter schlechtem Protonentransport zwischen ihren Schichten.

Was die Studie zeigt

Um dies zu lösen, setzten die Forscher in ihren Blättern nanoeingeschlossenen Phosphorsäure ein.

Diese aus Graphen und Bornitrid hergestellten Membranen lieferten in Wasserstoff-Brennstoffzellen außergewöhnlich hohe Leistungswerte. „Durch die Integration protonenleitender Nanoblätter mit nanoeingeschlossener Phosphorsäure haben wir eine Membran entwickelt, die einen schnellen Protonentransport aufrechterhält, ohne auf Wasser angewiesen zu sein", sagte Huanting Wang, Professor am Department of Chemical and Biological Engineering der Monash University.

Dies ermöglicht es Brennstoffzellen, bei deutlich höheren Temperaturen effizient zu arbeiten als dies derzeit möglich ist. In Laborversuchen zeigten die Forscher einen ultraschnellen Protonentransport innerhalb dieser Membran bei Temperaturen bis zu 482 Grad Fahrenheit (250 Grad Celsius).

Technik und Auswirkungen

Dies dürfte in naher Zukunft den Einsatz in der Schwerindustrie sowie in weiteren Systemen für saubere Energie ermöglichen. „Die Nanoblätter bieten direkte Transportwege für Protonen, während das eingeschlossene Phosphorsäure schnelle Protonensprünge ermöglicht", ergänzte Kaiqiang He, Postdoktorand an der Monash University, der an der Arbeit beteiligt war. „Zusammen gewährleisten diese Mechanismen sowohl eine hohe Leitfähigkeit als auch Stabilität unter trockenen Bedingungen bei hohen Temperaturen." Interessanterweise funktionierte die Membran auch dann gut, wenn konzentriertes Methanol als Kraftstoff eingesetzt wurde.

Dies belegt ihre überlegene Leistungsfähigkeit selbst unter anspruchsvollen Bedingungen. Die Forscher sind überzeugt, dass ihre Arbeit eine langjährige Hürde im Membran-Design überwunden hat, die die Entwicklung. Die Membran findet zudem Anwendungen jenseits, in denen sie beispielsweise zur Wasserspaltung, zur Reduktion eingesetzt werden kann.

Die Nanoblätter zusammen mit den in Nanostrukturen eingeschlossenen Protonenträgern eröffnen darüber hinaus neue Möglichkeiten für zukünftige protonenleitende Materialien. Die Forschungsergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.