Brennstoffzelle 2.0

Methanol-Brennstoffzellen haben Experten zufolge das Potenzial, Batterien als leichtgewichtige Energiequellen für mobile elektronische Geräte abzulösen. Die dafür notwendigen Materialien sind allerdings recht teuer – und Brennstoffzellen, die Methanol konsumieren, teilweise ineffizient. Der Grund sind Probleme mit der verwendeten Membrantechnologie, einem Grundbaustein der Zellen.

Forscher am MIT haben nun ein kostengünstiges Membranmaterial entwickelt, das den Energieoutput von Methanol-Brennstoffzellen um bis zu 50 Prozent erhöhen soll und die Energiedichte "mit den besten Hochenergie-Batterien" vergleichbar mache, wie Robert Savinell, Chemieingenieur an der Case Western Reserve University, meint.

Anwendungsgebiete für Methanol-Brennstoffzellen gibt es reichlich. Neben mobiler Elektronik vom Smartphone bis zum MP3-Spieler könnten sie auch im Militärbereich nützlich sein. Dort wären Methanol-Tanks, um Brennstoffzellen nachzufüllen, leichter als Zusatzbatterien – und sie könnten auch auf langen Missionen transportiert werden. Eine breite Kommerzialisierung entsprechender Systeme wurde bislang allerdings durch den Preis verhindert: Methanol-Brennstoffzellen benötigen eine dicke interne Membran, die aus einem teuren Polymer hergestellt wird. Und selbst mit dieser wenig preisgünstigen Technologie wird im Betrieb noch Brennstoff verschwendet, wie Kritiker einwerfen.

Um diese Einschränkungen zu umgehen, schuf Paula Hammond, Chemieingenieurin am MIT, eine Brennstoffzellenmembran aus Schichten mehrerer Polymere, deren elektrochemische Eigenschaften präzise bestimmt werden können, um die Effizienz zu maximieren. Laut Savinell hat Hammond damit ein Problem lösen können, das Chemiker seit Jahren beschäftigt.

Methanol-Brennstoffzellen besitzen zwei Seiten, die von einer Membran unterteilt werden. Auf der einen Seite wird das Methanol von Protonen und Elektronen getrennt. Die Protonen werden dann durch die Membran auf die zweite Seite transportiert, wo sie mit Sauerstoff reagieren, um Wasser zu bilden. Die Elektronen, die die Membran nicht durchdringen, bilden die Stromquelle, die genutzt werden kann, um elektronische Geräte anzutreiben.

Weil Wasser in der Brennstoffzelle erzeugt wird, ist die Membran stets feucht. Methanol, das in Wasser sehr löslich ist, wird von konventionellen Brennstoffzellmembranen deshalb absorbiert und kann so auf die falsche Seite wechseln. Dies verschwendet Brennstoff und sorgt dafür, dass die Kathode, das oxidierende Element der Zelle, härter arbeiten muss. "Diese Methanol-Übertretung stört die gesamte Forschung", meint Merlin Bruening, Chemiker an der Michigan State University. Wissenschaftler hätten deshalb bereits viele verschiedene Ansätze getestet, die Membranen zu verbessern. Jeder habe seine Nachteile. "Die Herausforderung war stets, dass Stabilität und Leitfähigkeit der Protonen erhalten bleiben", erklärt der Experte.

Hammond synthetisiert die Brennstoffzellmembranen mit einer Technik, die sich Schicht-für-Schicht-Aufbau nennt. Sie beginnt dabei mit einer sehr dünnen Polymer-Membran, die auch in konventionellen Brennstoffzellen verwendet wird. Diese wird dann in eine Wasserlösung getaucht, die aus einem positiv geladenen Polymer besteht. Dann folgt eine negativ geladene Polymerlösung. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis sich zahlreiche Schichten gebildet haben. Das Ergebnis, erklärt Hammond, sei "ein Polymer-Material, das die Durchdringung von Methanol durch die Membran verhindert", aber dennoch Protonen weitergibt.

Das Endergebnis ist eine 100 Nanometer dicke Membran, die zwei Zehnerpotenzen weniger Methanol durchlässt, als konventionelle, 50 Mikrometer dicke Membranen. Hinzu kommt, dass Brennstoffzellen, die die Membran enthalten, einen größeren Energieoutput haben – die erwähnten bis zu 50 Prozent.

Hammond betont, dass Methanol sich besser als Ausgangsmaterial für tragbare Brennstoffzellen eignet als Wasserstoff, weil es flüssig und gleichzeitig wesentlich weniger brennbar ist. "Es ist ein dichter Energieträger, der sich ohne Sicherheitsprobleme transportieren lässt", sagt sie.

Savinell glaubt, dass Hammonds Arbeit neben den Brennstoffzellen auch in anderen Bereichen nützlich sein könnte. Durch die Auswahl der richtigen Polymere und passender Herstellungsbedingungen wie dem richtigen pH-Wert lassen sich Kunststofffilme schaffen, "die sich für jede Anwendung anpassen und optimieren lassen". Schicht-für-Schicht-Polymere könnten auch zur Erhöhung der Leitfähigkeit von Wasserstoff-Brennstoffzellmembranen verwendet werden – und zur Erhöhung der Effizienz von Ethanol-Brennstoffzellen. (Ethanol ist nochmals sicherer als Methanol, hat aber ähnliche Nachteile, weil es ebenfalls durch Membranen tröpfelt.)

"Das wirkliche Versprechen, das wir hier sehen, ist die Leistungsfähigkeit der Technologie, neue Materialien zu schaffen", meint Savinell. Hammond arbeitet inzwischen auch an neuen Brennstoffzellmembranen, die keine der bislang notwendigen teuren konventionellen Polymere mehr enthalten. (bsc)