| Projektdauer: | 01.10.2012 – 30.09.2015 |
| Geldgeber: | Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) |
| Bearbeiter: | Dr. Vladimir Atanasov und Dr. Jochen Kerres |
| Projektpartner: |
Dr. Tom Smolinka, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Freiburg Dr. Carsten Cremers, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT, Pfinztal Dr. Nils Paust, Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), Freiburg |
Forschungsziel:
- Entwicklung eines hocheffizienten solaren Wasserstoffgenerators
- Entwicklung neuer Materialien zur Wasserelektrolyse
- 2.1 Anpassung von elektrochemischer Materialien und Komponenten für die solare H2-Erzeugung (Membran, Elektrode, Flowfieldplatte)
- 2.2 Wissenschaftlicher Langzeitversuch zur Degradationsanalyse
- 2.3 Analyse und Identifikation der entscheidenden Degradationsmechanismen
Die Membran-Elektrodeneinheit (MEA) ist die zentrale Komponente einer Elektrolysezelle und maßgeblich für die Kosten der Zelle verantwortlich. Ziel dieses Arbeitspaketes ist die Entwicklung einer auf die HyCon-Anwendung abgestimmte (MEA), um so mit möglichst geringen Materialeinsatz eine kosten- und leistungsoptimierte Komponente zur Verfügung zu haben. Die Arbeiten umfassen die Materialsynthese als auch Herstellungsmethoden.
1. Polymer Membran Systeme:
1.1 Säureüberschuss-Säure-Base-Blendmembranen
Die Säure-Base-Blendmembranen bestehen aus einem Homopolymer, das mit sauren Gruppen (SO3H-Gruppen und/oder PO3H2-Gruppen) modifiziert ist, und einem oder mehreren Polymeren, das bzw. die basische Gruppen aufweisen (z. B. Imidazolgruppen, Pyridingruppen, primäre, sekundäre oder tertiäre Aminogruppen). Es sollen Säure-Base-Blendmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung der sauren und der basischen Blendkomponente hergestellt werden, um die Membraneigenschaften (Ionenleitfähigkeit, Quellung, Wasseraufnahme, mechanische, thermische und chemische Stabilität) für die Anwendung PEM-Wasserelektrolyse maßzuschneidern.
1.2 ETFE gepfropft sulfonierte-/phosphonierte- poly(pentafluorostyrol)
ETFE Folien werden bestrahlt und mit dem Vinylmonomer Pentafluorostyrol über radikalische Polymerisation gepfropft. Die Pfropfpolymer-Seitenketten werden dann in einem weiteren Prozessschritt wurde dann weiter mit sauren (Phosphon- oder Sulfonsäure) und basischen Gruppen (Amine) chemisch modifiziert, um in ihren Eigenschaften maßgeschneiderte Ionomermembanen zu erhalten.
2. Degradationsmechanismen und Langzeitstabilität:
In diesem AP werden die wesentlichen Degradationsmechanismen an den kritischen Komponenten der elektrolytischen Wasserspaltung auf Zellebene (Membrane, Elektroden, MEA’s) mit und ohne Kopplung zu einer Solarzelle identifiziert und analysiert. Der Fokus wird auf die fluktuierende Betriebsweise des solaren Systems gesetzt. Die Degradationsuntersuchungen werden sowohl an den einzelnen Komponenten, als auch an Teilsystemen kleinerer Prototypen durchgeführt. Degradationsuntersuchungen an Membranen betreffen beispielsweise die Behandlung mit Fenton´s Reagenz (3%ige wässrige H2O2-Lösung mit 40 ppm Fe2+-Ionen, in der durch Katalyse mit Fe2+ hohe Konzentrationen an OH-Radikalen generiert werden können, die die Membran angreifen. Durch Untersuchung der Membranen nach dem Fenton-Test kann die Degradation der Membranen (Polymerabbau, Degradation der Ionenaustauschergruppen) ermittelt werden.