Folien unter Druck

Am Braunkohl erhitzen sich die Gemüter. Kaum hat die Saison begonnen, folgt die beliebte Kontroverse, ob Braunkohl nun gleich Grünkohl ist oder es hier feine Unterschiede gibt. Der Spargel wirft zum Glück weniger Fragen auf, zumindest für den Genießer. Wissenschaftler dagegen zerbrechen sich sehr wohl den Kopf, zum Beispiel, wenn es um den Anbau des "königlichen Gemüses" geht. Spargel wächst häufig unter Folie, die umständlich eingeholt und entsorgt werden muss. Wäre doch einfacher, sie würde sich auf dem Feld zersetzen, also biologisch abbaubar sein.
Auf diesem Gebiet haben die Wissenschaftler des Instituts für Recycling am Standort Wolfsburg der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel bereits geforscht. "Die Folie ist eine Membran, eine dünne Trennschicht, die auf dem Spargelfeld zum Beispiel das Wasser durchlässt, aber die Wärme im Boden hält", erläutert die Chemikerin Kerstin Schmidt. Die Entwicklung von Membranen ist ihr Spezialgebiet. Im Fachbereich Fahrzeug, Produktions- und Verfahrenstechnik, in dem sie arbeitet, konzentriert man sich vor allem auf Membrane in Brennstoffzellen. Mit Biokunststoffen kommt man dort aber (noch) nicht weit. "Die Membrane sind Temperaturen bis zu 160 Grad Celsius und einem Druck bis zu drei Bar ausgesetzt", erklärt die Chemikerin. "Deshalb verwenden wir Hochleistungskunststoffe, wie sie auch in der Raumfahrt zum Einsatz kommen." Die Herausforderung ist nun, die Kunststoffe chemisch und physikalisch so zu verändern, dass diese die erforderlichen Funktionen optimal erfüllen. Zum Beispiel, wenn es um die Durchlässigkeit bzw. die Diffusionseigenschaften der Membrane geht. (gef)

Membrane in Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie, die in Antriebsenergie umgesetzt wird. Energieträger ist unter anderem Wasserstoff, der mit Sauerstoff aus der Luft kontrolliert zusammengeführt wird. Es kommt zu einer chemischen Reaktion, bei der man Strom gewinnt. Als Reaktionsprodukt entsteht reines Wasser, was die Brennstoffzelle zu einem umweltfreundlichen und zukunftsweisenden Antrieb macht.
Eine Brennstoffzelle besteht im Kern vor allem aus drei Teilen: Anode (Pluspol), Kathode (Minuspol) und einer Membran, die diese zwei Elektroden voneinander trennt. In einer PEM-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyt Membran Brennstoffzelle) besteht die Membran aus einer dünnen Kunststofffolie. Diese ist für Protonen einseitig durchlässig. Das heißt: Die Membran ist so funktionalisiert, dass die Wasserstoff-Protonen durch sie hindurch zur Kathode wandern können. Den Elektronen bleibt der Weg durch die Membran versperrt.
Folglich bildet sich auf der Seite der Anode ein Überschuss, auf der Seite der Kathode ein Mangel an Elektronen. Um das auszugleichen, wandern die überschüssigen Elektronen über einen äußeren Stromkreis zur Kathode. Auf der Kathodenseite treffen nun Wasserstoff- und Sauerstoffatome aufeinander. Diese reagieren zu Wassermolekülen, der als Wasserdampf entweicht.
Die Entwicklung und Optimierung von Membranen, speziell für den Einsatz in Brennstoffzellen, ist ein Spezialgebiet des Instituts für Recycling, Fachbereich Fahrzeug, Produktions- und Verfahrenstechnik, an der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel. "Membrane in Brennstoffzellen sind Temperaturen bis zu 160 Grad Celsius und einem Druck bis zu drei Bar ausgesetzt", erläutert die Chemikerin Kerstin Schmidt. "Deshalb verwenden wir Hochleistungskunststoffe, wie sie auch in der Raumfahrt zum Einsatz kommen."
Die Herausforderung für die Wissenschaftler ist nun, die Kunststoffe chemisch und physikalisch so zu verändern, dass diese die erforderlichen Funktionen optimal erfüllen. Zum Beispiel, wenn es um die Durchlässigkeit bzw. die Diffusionseigenschaften der Membrane geht. Die Membran in der Brennstoffzelle soll nicht völlig, sondern nur teilweise durchlässig sein: Freie Bahn haben nur die Wasserstoffprotonen (wie oben beschrieben). Und die Membran soll nur in eine Richtung durchlässig sein: Die Wasserstoffprotonen wandern von der Anode zur Kathode.
Zudem sollen die Membrane eine hohe Lebensdauer haben. Biokunststoffe erfüllen dieses Kriterium in der Regel nicht, da sie einem Zersetzungsprozess unterliegen. Daher kommt der Einsatz von Biokunststoffen in der umweltfreundlichen Brennstoffzelle (noch) nicht in Frage. Eine weitere Herausforderung sind die Kosten. Damit sich die Brennstoffzellentechnologie, z.B. im Fahrzeug, durchsetzen kann, muss sie für den Kunden bezahlbar sein. (gef)