Modelluntersuchungen zu Protonenschwamm-Membranen für Brennstoffzellen

Abstract

Im Bereich der Niedertemperatur-Brennstoffzellen kommt den protonenleitenden Membranmaterialien eine entscheidende Rolle zu. In kommerziellen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMC) werden gewöhnlich perfluorierte Sulfonationionomere wie z. B. Nafion als Membranmaterial eingesetzt. Ein Hauptnachteil dieser Materialien ist allerdings die begrenzte Temperaturstabilität der Membran. Oberhalb von 80°C verarmt die Membran an Wasser einhergehend mit dem Verlust an Protonenleitfähigkeit. Die Verwendung von z. B. Methanol anstelle von Wasserstoff als Brennstoff (DMFC) erfordert jedoch Temperaturen über 150°C. Die in der Literatur bekannten Ansätze Wasser als Protonencarrier zu ersetzen, basieren auf der Verwendung höhersiedender Heteroaromaten wie z.B. Imidazol, Pyrazol und Benzimidazol. Eine Verflüchtigung dieser Stoffe bei höherer Temperatur führt aber auch hier zur Verarmung an Ladungsträgereinheiten in der Membran. Ein Ansatz diese Limitierung zu umgehen, ist die Verwendung von festen Carriermembranen, bei denen die Carrierfunktion von funktionellen, am Polymer fixierten Strukturelementen übernommen wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Funktionspolymere mit 1,8-Bis(dimethylamino)naphthalin- Struktureinheiten, die in der Literatur als "Protonenschwammverbindung" bekannt sind, sowohl in die Hauptkette als auch in die Seitenkette synthetisiert. Diese Funktionspolymere wurden mittels verschiedener Analytikmethoden charakterisiert. Die Mischungen des als Poylmerstrukturbaustein fungierenden 1,8-Bis(dimethylamino)-naphthalins mit p-Toluolsulfonsäure wie auch die Ionomerblends aus Funktionspolymer bzw. sulfonierten Polystyrol und niedermolekularen Komponenten wurden hergestellt und hinsichtlich ihrer Protonentransfer, Morphologie und Leitfähigkeit mittels FTIR-Spektroskopie, differentieller Wärmeflußkalorimetrie und Impedanzspektroskopie untersucht.

In polymer electrolyte fuel cells (PEFC), hydrated perfluorosulfonate ionomers such as NAFION are generally used as membrane materials. The high proton conductivity required for the application in the fuel cells comes from the water which acts as a carrier for protons in the swollen polymer membrane. A main disadvantage of such hydrated materials is that the upper limit of their useful temperature range is 100°C at normal pressure. However, when reformates or methanol is used as a fuel in fuel cells, temperatures above 100°C are required. Therefore, the development of new polymer electrolyte membrane materials for the application at high temperature, e.g. in the direct methanol fuel cell (DMFC), is attracting considerable interest. It has already been reported that heterocyclic aromates, such as imidazole, pyrazole and benzimidazole, show proton and solvent transport properties similar to water at a given temperature related to the corresponding melting point. However, due to their relatively low vapor pressures, these low molecular weight components will volatilize progressively as increasing temperature, which leads to a decrease of conductivity. One approach to overcome this limitation is to fix the proton carrier on the polymer backbone. 1,8-bis(dimethylamino)naphthalene has been selected as a carrier because of its well known proton sponge characteristics. Using this compound as carrier moiety in the side chain or main chain the different novel polymers were synthesized in this work. All synthesized polymers were characterized by different methods. Using proton sponge and functional polymers as base components, while p-toluene sulfonic acid and sulfonated polystyrene as acid components, both low molecular weight mixture and blends were prepared and inverstigated regarding their proton transfer, morphology and conductivity by FTIR, DSC and impedance spectroscopy.