Neue Studie zu Brennstoffzellen: Membranen – unsichtbare Schicht, großer Einfluss

Um Brennstoffzellen effizienter und langlebiger zu machen, untersuchte eine aktuelle Studie der Universität Duisburg-Essen und des Zentrums für BrennstoffzellenTechnik unter der Leitung von Nanowissenschaftler:innen um Dr. Fatih Özcan die zentrale Rolle der nur wenige Mikrometer dünnen Membran. Dank einer neuen Methode gelang es ihnen, Membraneffekte erstmals systematisch zu analysieren, was entscheidend für die Weiterentwicklung dieser Technologie ist.

Brennstoffzellen gelten als Schlüssel für eine klimaneutrale Energieversorgung, wobei insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) Wasserstoff effizient in Strom umwandeln und im Verkehr sowie in der stationären Energieversorgung an Bedeutung gewinnen. Im Inneren der PEMFC sorgt die dünne Kunststoffmembran dafür, dass nur Protonen hindurchgelangen, während Elektronen außen entlangfließen und so Strom erzeugen; damit bestimmen die Eigenschaften dieser unverzichtbaren Membran maßgeblich Leistung, Effizienz und Lebensdauer des Systems.

Präzisionsanalyse der Kathode isoliert Membraneffekte

Bisher war es jedoch schwierig, den Einfluss der Membran zu untersuchen, da sich viele Prozesse überlagern. Das Team um Dr. Fatih Özcan vom Lehrstuhl für Partikeltechnik (Prof. Doris Segets) der Universität Duisburg-Essen (UDE) entwickelte daher mit weiteren Forschenden der UDE und dem Zentrum für BrennstoffzellenTechnik (ZBT) eine neue Methode: Statt die gesamte Brennstoffzelle zu analysieren, untersuchten sie gezielt die Kathode in einer vereinfachten Testumgebung. So ließ sich der Einfluss der Membran klar isolieren. Dabei wurden Membranen unterschiedlicher Dicke und chemischer Struktur sowie ein Referenzsystem ohne Membran betrachtet. Mithilfe elektrochemischer Messverfahren konnten die Forschenden erstmals die Ursachen von Leistungsverlusten sichtbar machen und voneinander trennen – etwa elektrische Widerstände, Reaktionsgeschwindigkeit und Stofftransport.

Die Membran als aktiver Leistungsfaktor

„Unsere Ergebnisse zeigen: Die Membran bringt zusätzliche Widerstände ins System und beeinflusst die Leistung maßgeblich“, erklärt Yawen Zhu. Überraschend war dabei die Erkenntnis, dass der Großteil des zusätzlichen elektrischen Widerstands nicht durch die Dicke der Membran verursacht wird, sondern bereits durch ihre bloße Anwesenheit – genauer gesagt durch die Kontaktflächen zwischen Membran und Elektrode. Die Membrandicke wirkt sich hingegen vor allem auf die Geschwindigkeit der elektrochemischen Reaktionen aus, die mit zunehmender Dicke langsamer ablaufen. „Transportverluste werden hingegen stärker durch die chemische Struktur des Materials bestimmt“, so Dr. Fatih Özcan. Damit belegt die Forschung, dass Membranen weit mehr als passive Bauteile sind, und liefert zugleich wichtige Ansatzpunkte für die Entwicklung leistungsfähigerer und langlebigerer Brennstoffzellen.

Quelle

Universität Duisburg-Essen (03/2026)