Wasserkanäle machen Brennstoffzellen effizienter

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Verfahren eignet sich für Massenproduktion

Die neue Lösung aus dem PSI behebt das Problem, indem es getrennte „Abflusskanäle“ schafft, in denen sich praktisch alles Wasser konzentriert. In den restlichen, trockenen Kanälen können die Gase dann schneller fliessen.

Die PSI-Forschenden haben schon aus früheren Versuchen gewusst, dass es nicht nur auf die Menge, sondern auch auf die Verteilung des Wassers in der Diffusionsschicht ankommt. „Wir haben nun diese Idee zum ersten Mal in ein Verfahren umgesetzt, das sich für die Massenproduktion eignet“, erklärt PSI-Doktorand Antoni Forner-Cuenca, der die Versuche im Labor durchführte.

Das Konzept der PSI-Forscher besteht darin, die ursprüngliche, wasserabweisende Kunststoffbeschichtung entlang gerader Wege wasseranziehend zu machen. Das Wasser wird in diese Kanäle regelrecht eingesaugt, während die restlichen Bereiche der Gasdiffusionsschicht praktisch trocken bleiben. Das Verfahren haben die PSI-Wissenschaftler bereits zum Patent angemeldet.

Elektronenstrahl und wasseranziehende Moleküle

Um die Wasserkanäle herzustellen, haben die Forschenden in die Struktur des ursprünglichen Kunststoffs wasseranziehende Moleküle eingebracht. Zuvor mussten sie den Kunststoff mit einem Elektronenstrahl aufbereiten, sodass er die anzuhängenden Moleküle binden konnte.

Der Elektronenstrahl wird hierbei durch ein Metallgitter geführt, sodass zwei unterschiedliche Bereich geschaffen werden: Dort, wo der Strahl durch das Gitter geht, kann die ursprüngliche Beschichtung später so verändert werden, dass wasseranziehende Kanäle entstehen. Dort wo der Strahl nicht das Gitter passiert, bleibt der ursprüngliche Kunststoff wasserabweisend.

Im vom Elektronenstrahl veränderten Bereich reagiert die Kunststoffbeschichtung dann chemisch mit speziellen Molekülen und wird dadurch wasseranziehend gemacht – es werden Kanäle geschaffen, die das in den Brennstoffzellen produzierte Wasser effizient hinaus transportieren.

Das am PSI entwickelte Verfahren des Anhängens funktioneller Moleküle mit Hilfe eines Elektronenstrahls bezeichnen die Forschenden als Strahlenpfropfen. Es ähnelt nämlich dem in der Gärtnerei üblichen Pfropfen wertvoller Pflanzen auf einen fremden, robusten Stamm. In diesem Fall geben die wasseranziehenden Moleküle dem Basiskunststoff die erwünschten, wasseranziehenden Eigenschaften.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die von ihnen geschaffenen Kanäle tatsächlich fast alles Wasser in sich saugen. Die anderen Bereiche bleiben hingegen praktisch trocken. Den Beweis lieferten Bilder der Gasdiffusionsschicht, die die Wissenschaftler mit Hilfe von Neutronen aus der Strahllinie ICON der Spallationsneutronenquelle SINQ des PSI erstellten.

*Diese Arbeit wurde vom Schweizerischen Nationalfonds SNF finanziell unterstützt (Projektnummer: 143432).

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