Am 24. März 2026 veröffentlichte die Universität Duisburg-Essen eine wegweisende Studie zur Effizienz und Langlebigkeit von Brennstoffzellen, die sich insbesondere mit den Eigenschaften von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) beschäftigt. Unter der Leitung von Dr. Fatih Özcan und einem Team von Nanowissenschaftler:innen wurde eine neue Methode entwickelt, um die Effekte von Membranen systematisch zu analysieren. Die Forschung, die im Fachjournal Energy Advances veröffentlicht wurde, könnte entscheidend dafür sein, Brennstoffzellen als Schlüsseltechnologie für eine klimaneutrale Energieversorgung weiterzuentwickeln.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, die bereits seit den 1960er Jahren existieren und unter anderem in bemannten Raumfahrzeugen zum Einsatz kommen, wandeln Wasserstoff effizient in elektrische Energie um. Diese Technologie zeichnet sich durch eine dünne Kunststoffmembran aus, die ausschließlich Protonen hindurchlässt und den Fluss von Elektronen außerhalb ermöglicht. Dabei ist die Membraneigenschaft entscheidend für die Leistung, Effizienz und Lebensdauer der Brennstoffzellen. Die Herausforderung besteht darin, den Einfluss der Membran isoliert zu untersuchen, da viele Prozesse ineinander greifen, was bis jetzt nur schwer zu realisieren war.
Systematische Analyse der Membraneffekte
In ihrer Analyse konzentrierte sich das Team auf die Kathode und nutzte eine vereinfachte Testumgebung, um den Einfluss der Membran zu isolieren. Dabei wurden Membranen unterschiedlicher Dicke und chemischer Struktur sowie ein Referenzsystem ohne Membran untersucht. Durch elektrochemische Messverfahren konnten die Ursachen von Leistungsverlusten sichtbar gemacht und getrennt werden. Das Ergebnis zeigte, dass die Membran zusätzliche Widerstände in das System bringt, wobei der größte Teil des zusätzlichen elektrischen Widerstands durch die Anwesenheit der Membran und nicht deren Dicke verursacht wird.
„Die Dicke der Membran beeinflusst die Geschwindigkeit elektrochemischer Reaktionen“, berichten die Forscher. Dickere Membranen führen demnach zu langsamen Reaktionen, während die chemische Struktur des Materials stärker die Transportverluste bestimmt. Diese Erkenntnisse bieten vielversprechende Ansatzpunkte für die Entwicklung leistungsfähigerer und langlebiger Brennstoffzellen.
Struktur und Kosten der Brennstoffzellen
Die hauptsächlichen Komponenten von PEMFC beinhalten neben der Protonenaustauschmembran auch die Katalysatorschicht, Gasdiffusionsschicht und Bipolarplatte. Letztere spielt eine erhebliche Rolle, da sie 70-80% der Zellmasse ausmacht und damit direkt die Zellleistung beeinflusst. Die Herstellungskosten sind ebenfalls relevant, wobei 46% auf den Elektrokatalysator, 11% auf die Membran und 24% auf die Bipolarplatte entfallen. Der aktuelle Platinverbrauch in PEMFCs soll weiter gesenkt werden, um die Effizienz zu steigern und die Produktionskosten zu reduzieren.
Der Einsatz von Perfluorsulfonsäure-Protonenaustauschmembranen wie Nafion ist weit verbreitet, bringt aber auch Degradationsprobleme mit sich. Deswegen werden teilweise fluorierte und nicht fluorierte Varianten erforscht, die als kostengünstige Alternativen gelten. Eine hohe Platinbeladung erfordert zudem innovative Ansätze, um die Stabilität und Effizienz der Katalysatoren zu gewährleisten.
Zusammengefasst ist die aktuelle Forschung von Dr. Özcan und seinem Team ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu nachhaltigeren und effizienteren Brennstoffzellensystemen. Diese Entwicklungen sind Teil des Projekts R2R-CCM, das von dem nordrheinwestfälischen Ministerium für Wirtschaft, Industrie, Klimaschutz und Energie zwischen 2022 und 2024 gefördert wird.