Zeitschrift für Membranwissenschaft und -technologie

Abstrakt

Chitosanbasierte Anionenaustauschmembranen für Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen

Birgit Feketeföldi, Bernd Cermenek, Christina Spirk, Alexander Schenk, Christoph Grimmer, Merit Bodner, Martin Koller, Volker Ribitsch und Viktor Hacker

Eine Reihe neuartiger vernetzter, hoch quaternisierter Chitosan- und quaternisierter Polyvinylalkohol-Membranen wurde erfolgreich synthetisiert, um in alkalischen Direktethanol-Brennstoffzellen eingesetzt zu werden. Die Vernetzung wurde mithilfe zweier verschiedener Vernetzungsmittel und eines zusätzlichen thermischen Prozesses zur Verbesserung sowohl der chemischen als auch der thermischen Eigenschaften erreicht. Äquivalente Mischungen aus Chitosan- und Polyvinylalkohol-Membranen mit unterschiedlichen Vernetzungsgraden wurden unter Verwendung unterschiedlicher Mengen von Glutaraldehyd und Ethylenglykoldiglycidylether als Vernetzungsmittel hergestellt. Um ihre Anwendbarkeit in Direktethanol-Brennstoffzellen zu untersuchen, wurden die Membranen hinsichtlich ihrer strukturellen Eigenschaften, ihrer chemischen, thermischen und alkalischen Stabilität, ihres Ionentransports und ihrer ionischen Eigenschaften mithilfe der folgenden Methoden charakterisiert: Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, Kernspinresonanzspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, thermogravimetrische Analyse, Wasseraufnahme durch Massenänderung, Ethanoldurchlässigkeit in der Diffusionszelle, Rücktitrationsmethode (Ionenaustauschkapazität) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (Anionenleitfähigkeit). Trotz des hohen Quaternisierungsgrades der verwendeten Materialien und ungeachtet der geringen Filmdicke der Mischmembranen zeigten die neuen vernetzten Produkte eine hervorragende mechanische Stabilität. Die weniger stark vernetzten Membranen zeigten die besten Transport- und Ioneneigenschaften mit einer hohen Anionenleitfähigkeit von 0,016 S cm-1 und einer hohen Ionenaustauschkapazität von 1,75 meq g-1, während Membranen mit einem höheren Vernetzungsgrad hinsichtlich der reduzierten Ethanoldurchlässigkeit von 3,30âÂ�Â�10-7 cm2 s-1 bei 60°C überlegen abschnitten. Die chemisch und thermisch vernetzten Mischmembranen bieten eine ausgezeichnete thermische Stabilität mit einer Abbautemperatur von über 280°C und eine hervorragende alkalische Stabilität in 1,0 M KOH bei 60°C für 650 h. Daher weisen diese Verbundmembranen ein hohes Anwendungspotenzial als alkalische Elektrolyte in Brennstoffzellen auf.