Ionen-Leitung

Strukturelle Eigenschaften und der Zusammenhang zwischen Struktur und Dynamik spielen in verschiedenen Bereichen der Energieforschung eine große Rolle, z.B. bei der Wasserstoff-Speicherung oder in verschiedenen Arten von Brennstoffzellen.

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie (z.B. in Form von Wasserstoff-Gas) in elektrische Energie um. Dabei spielen viele Komponenten zusammen, um die Protonen durch den Elektrolyten in der Zelle zu leiten, während Elektronen als elektrischer Strom durch den Verbraucher von der Anode zur Kathode der Brennstoffzelle gelangen. In dem Vielschicht-System Brennstoffzelle spielt dabei die Strukturierung von mikroskopischer Längenskala (Nanometer) zu makroskopischen Distanzen (mm) eine Rolle.

Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (HT-PEFCs) werden in dieser Hinsicht unter verschiedenen Aspekten beleuchtet. Dabei wird in enger Zusammenarbeit mit dem Institut IEK-3 die Verbindung zwischen makroskopischem Verhalten und mikroskopischen Eigenschaften beleuchtet. Neutronenstreuung hilft dabei, die strukturellen Eigenschaften besser zu verstehen und mit den Diffusionsprozessen, die die Protonenleitfähigkeit bestimmen, zu korrelieren.

Protonenleitende Membranen

Die protonenleitende Membran in HT-PEFCs ist typischerweise ein mit Phosphorsäure getränktes Polymer. Die Struktur dieser Komponente wird mit Neutronenbeugung und Kleinwinkelstreuung in einem großen Längenskalenbereich untersucht. Die Protonendiffusion in diesem komplexen System lässt sich mit quasielastischer Neutronenstreuung verfolgen, wobei die Neutronenstreuung einzigartige Möglichkeiten bietet, z.B. durch den großen inkohärenten Streuquerschnitt des Protons und durch die Möglichkeit, an einigen Stellen stattdessen Deuterium mit ganz anderen Streueigenschaften einzusetzen. So lässt sich auf Längenskalen im Nanometerbereich die Protonen-Diffusionskonstante bestimmen oder die Korrelation mit der Beweglichkeit der Polymersegmente mit den Transporteigenschaften untersuchen.

O. Holderer