Visualization of ionically active channels in the Nafion® membrane by using electrochemical atomic force microscopy

Abstract

The nanoscale information is essential to understand the performance limiting features. In this work an electrochemical atomic force microscopy (EC-AFM) method is used to provide the surface topology of a Nafion® membrane and provides a detailed picture of proton conductivity on the nm-scale, allowing comparison to existing X-ray scattering methods. The observed dynamics of large conductivity changes of Nafion® is reflected in the formation of current pathways at room temperature and given relative humidity. Time resolved experiments are used to compare with theories of proton conduction in fuel cell membranes and verify models of microphase-separated structure derived from existing microscopic data. Furthermore, the measured current values reveal a remarkable correlation with the size of the conductive areas. Analysis of the distribution of conductive areas on the Nafion® surface suggests that there are different mechanisms which contribute to the proton current in Nafion® membrane. Additionally, time dependence in local conductivity is found and analyzed in terms of redistribution of water in the membrane. A statistical analysis of the current distribution is performed and compared with theoretical simulations. Evidence is found for the existence of a critical current density. On a timescale of seconds the response of the conductive network is probed by applying voltage steps to the AFM tip.

Die Polymer-Elektrolytmembran ist die Schlüsselkomponente einer Brennstoffzelle. Das Hauptziel dieser Arbeit war mit Hilfe von elektrochemischer Rasterkraftmikroskopie eine auf nanometer-aufgelöste Darstellung der Protonenleitfähigkeit einer Nafion-Membranoberfläche zu gewinnen. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Ionenleitfähigkeit und Nanostruktur einer Nafion Membran unter der definierten Luftfeuchtigkeit und angelegten Spannung. Außerdem wurde der zeitliche Verlauf des Stroms bei Anlegen von Potentialstufen ermittelt, um zu einem besseren Verständnis der im Membraninnern stattfindenden Transportvorgänge zu gelangen. Die vorgestellte Methode wurde hier entwickelt und erstmals eingesetzt. In den letzten zwei Jahren ist die Anzahl an Publikationen über elektrochemische Rasterkraft Mikroskopie deutlich gestiegen, was das große wissenschaftliche Interesse an diesen Systemen beweist. Es ist davon auszugehen, dass viele der Membranhersteller die neue Messmethode anwenden werden, da damit die Qualität der Membran und der Zusammenhang mit den Details des Herstellungsprozesses besser verstanden werden können. Gleichzeitig bietet sie Einblick in die fundamentalen Prozesse der Protonenleitung und in örtliche und zeitliche Modulationen der Eigenschaften der verwendeten Polymere. Mit diesem Verständnis kann zu einer Optimierung der Struktur der leitfähigen Membranen für eine Steigerung der Brennstoffzellen Performance führen.