Authors:	Hinz, Susanne
Title:	Wasserfreie Protonenleiter für Brennstoffzellen auf der Basis von Imidazol und Benzimidazol
Online publication date:	1-Jul-2005
Year of first publication:	2005
Language:	german
Abstract:	Mit Hilfe von Brennstoffzellen wird eine effiziente Energieumwandlung von chemischer in elektrische Energie möglich. Die kommerziellen PEM-Brennstoffzellen benutzen Membra-nen, die zum Erreichen hoher Leitfähigkeiten eine wässrige Phase erfordern, in der der Proto-nentransport stattfindet. Somit wird die Betriebstemperatur durch den Siedepunkt des Wassers limitiert. Die verwendeten Pt-Katalysatoren zeigen bei niedrigen Temperaturen eine höhere Empfindlichkeit gegenüber CO, dass im Reformierungsprozess bei der Erzeugung von Was-serstoff entsteht. Austausch der wässrigen Phase gegen Heterozyklen, die ein zu Wasser ver-gleichbares Wasserstoffbrückennetzwerk aufbauen, in dem der Protonentransport stattfinden kann, ermöglicht eine höhere Betriebstemperatur. Durch das im Laufe des Brennstoffzellen-betriebs gebildete Wasser, können die Heterozyklen verdünnt bzw. komplett aus der Memb-ran ausgewaschen werden. Daher ist es erforderlich, die Ladungsträger an ein Polymerrück-grat zu binden, so dass sie eine hohe Beweglichkeit und Konzentration, die denen in der flüs-sigen Phase einer konventionellen Membran entsprechen, aufweisen. Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Charakterisierung von Protonenleitern, die ohne eine flüssige Phase auskommen, da sie bereits protonische Leitfähigkeit als intrinsische Ei-genschaft zeigen. Es wurden verschiedene imidazol- bzw. benzimidazolhaltige Dimere und Polythiophene, in denen Benzimidazol in der Seitenkette über verschieden flexible Spacer mit dem Polymerrückgrat verbunden ist, synthetisiert. Die Materialien wurden in undotierten Zu-stand und nach Dotierung mit geringen Mengen Phosphorsäure umfassend charakterisiert und auf thermisches Verhalten, Stabilität und Leitfähigkeit untersucht. Die benzimidazolhaltigen Dimere weisen mit 250 °C die höchsten Zersetzungstemperaturen auf. Mit zunehmender Temperatur kann in allen Fällen eine Erhöhung der Leitfähigkeit beobachtet werden, die sich in der Arrhenius- Auftragung durch eine Gerade anpassen lässt, somit kann der Protonentrans-port durch einen Protonen-hüpfmechanismus beschrieben werden. Die höchste beobachtete Leitfähigkeit liegt im Bereich von 10-6 S/cm bei 160 °C. Durch Zusatz von Phosphorsäure kann die Leitfähigkeit z.T. um einige Größenordnungen gesteigert werden. Eine Ausnahme bilden die Polythiophene, die sowohl protonische als auch elektronische Leitfähigkeit besit-zen. Hier führt die Säure zu einer Lokalisierung der Ladungsträger, so dass die elektronische Leitfähigkeit eingeschränkt wird. Fuel cells are efficient energy conversion systems. High proton conductivity of conventional hydrated polymers generally used as separator membranes is related to high levels of hydration. Therefore the operation temperature is limited by the boiling point of water. At low temperatures the Pt-electrodes used are very sensitive to CO which is always a part of the hydrogen rich reformats. Substitution of water by heterocycles leads to higher operation temperatures. These materials are also able to form H-bonding networks like water. As a result of operating the fuel cell, water is produced. Water can decrease the concentration of heterocycles or wash them out of the membrane. As a consequence the protonated solvents have to be tethered to a polymer backbone. As a requirement for high conductivities a high mobility and concentration of proton conductors is necessary, similar to those of the liquid phase in a conventional membrane. This thesis describes the synthesis und characterisation of proton conductors that show proton conductivity as intrinsic property. A liquid phase is no longer required for proton transport. Dimers containing imidazole or benzimidazole and polythiophenes with benzimidazole in the side chain were synthesized. The materials were extensively characterised in the pristine and in the acid-doped state. The thermal transitions, stability and conductivity were studied. The dimers containing benzimidazole show the highest decomposition temperatures (250 °C). With increasing temperature an increasing conductivity was observed, demonstrating Arrhenius behaviour. Proton transport is controlled by a hopping mechanism. Conductivity was measured up to 10-6 S/cm at 160 °C. Small amounts of phosphoric acid resulted in an increase in conductivity. In the case of polythiophenes doping with acid leads to a decreased conductivity.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3828
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-7848
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen