Plasmamodifizierung von Polybenzimidazol‐Polymermembranen für die PEM‐Brennstoffzelle

Für Anwendungen in Polymerelektrolytbrennstoffzellen haben Polybenzimidazol (PBI)‐Membranen den Nachteil, dass sie eine hohe Beladung mit dem Elektrolyten Phosphorsäure sowohl für eine ausreichende Protonenleitfähigkeit als auch für den Protonentransfer zwischen Membran und Elektroden benötigen. Mit zunehmender Säurebeladung sinkt aber die mechanische Stabilität der Membranen. Daher wurden in dieser Arbeit die Oberflächen von PBI‐Membranen durch plasmachemische Prozesse verändert, um den Protonentransfer zwischen Membran und Elektrode durch die Anwesenheit von Carbonsäure‐, Sulfonsäure‐ und phosphorsauren Gruppen zu verbessern. Die PBI‐Membranen wurden nach der Funktionalisierung mit drei verschiedenen Säuremengen beladen und in einem Brennstoffzellen‐Prüfstand (160 °C, potentiostatisch bei 0,6 V, 3 bar Luft/H 2 ) getestet. Bei niedrigen Säurebeladungsgraden von 72 Masse‐ % führen die Oberflächenmodifikationen zu deutlichen Leistungssteigerungen. Die höchste Steigerung der Leistungsdichte von 164 % im Vergleich zur unmodifizierten PBI‐Membran erzielte die PBI‐Membran mit einer gemischten Funktionalisierung aus phosphorsauren Gruppen, Sulfonsäure‐ und Carbonsäuregruppen. Allerdings liegt die absolute Leistungsdichte der Brennstoffzelle mit dieser Membran bei einer Phosphorsäurebeladung von 72 Masse‐ % nur bei 0,17 W/cm 2 . Für mobile Anwendungen wie z. B. den Antriebsstrang eines Automobils sind deutlich höhere Leistungsdichten erforderlich. Daher wurden höhere Phosphorsäurebeladungen eingestellt. Bei einer Säurebeladung von 78 Masse‐ % erzielte die beste plasmamodifizierte PBI‐Membran mit 0,46 W/cm 2 eine um 38 % höhere Leistungsdichte als die unmodifizierte PBI‐Membran. Bei einer noch höheren Phosphorsäurebeladung von 84 Masse‐ % liegen fast keine Unterschiede in den Leistungsdichten vor; Phosphorsäure im Kontaktbereich Elektrode – Membran sorgt hier bereits für einen ausreichenden Protonentransfer.