4D-Modell ermöglicht effizientere und kostengünstigere Brennstoffzellen

Forscher des Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und dem University College London (UCL) haben zum ersten Mal die Wasserverteilung in einer Brennstoffzelle dreidimensional und in Echtzeit visualisiert. Dafür werteten sie Messdaten aus, die noch an der Neutronenquelle BER II am HZB gewonnen wurden. Die Analyse öffne neue Möglichkeiten zu effizienteren und damit kostengünstigeren Brennstoffzellen.

„In einer Brennstoffzelle werden Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser kombiniert. Dabei entsteht elektrische Energie“, erklärt Ralf Ziesche von der Imaging-Gruppe des HZB. „Das wohl wichtigste Bauteil innerhalb der Brennstoffzelle ist eine Membran.“ Mit zirka 20 Mikrometern ist diese Membran etwa halb so dick wie ein menschliches Haar, sie wird mit verschiedenen funktionalen Schichten zu einem etwa 600 Mikrometer breiten Trennbereich innerhalb der Brennstoffzelle verbunden.

„Der Membranverbund entreißt den Wasserstoffatomen die Elektronen. Nur die Wasserstoffkerne, also die Protonen – können die Membran passieren.“ Die Elektronen hingegen fließen über einen elektrischen Anschluss ab und werden als elektrischer Strom genutzt. Auf der anderen Seite der Trennwand wird Luft eingelassen. Der darin enthaltene Sauerstoff reagiert mit den Protonen, die durch die Membran kommen, und den Elektronen, die von der anderen Seite des Stromkreises zurückfließen. Es entsteht reines Wasser.„Ein Teil des Wassers wird abgeführt. Ein anderer Teil muss in der Brennstoffzelle bleiben, denn die Membran darf nicht austrocknen“, erklärt Ralf Ziesche. „Ist aber zu viel Wasser drin, können die Protonen nicht mehr die Membran durchdringen. An diesen Stellen entstehen tote Bereiche, die Reaktion kann dort nicht mehr ablaufen. Die Effizienz der gesamten Brennstoffzelle sinkt.“ Damit Wasserstoff, Luft und Wasser zu- und abfließen können, sind winzigste Kanäle in Metallplatten zu beiden Seiten der Membran gefräst. Diese Kanäle können optimiert werden, um den Wirkungsgrad der Brennstoffzellen zu erhöhen.

Dafür sei es von Vorteil, ein möglichst genaues Bild der Wasserverteilung innerhalb der Kanäle zu haben. Dies war das Ziel einer Zusammenarbeit zwischen der Forschungsgruppe vom Electrochemical Innovation Lab (EIL) des University College London (UCL) und des HZB. Die Arbeiten werden jetzt im Rahmen der gemeinsamen Forschungsgruppe „NI-Matters“ zwischen dem HZB, dem Institut Laue-Langevin und der Universität Grenoble (Frankreich) fortgeführt.