Entwicklung und Erprobung eines Elektrolyseurs auf Basis der Hochtemperatur–PEM–Technologie

Projektdauer: 01.06.2010 – 30.11.2012

Geldgeber: AiF/IGF

Bearbeiter: Dr. Kerres, Dipl.-Chem. C. Seyb

Forschungsziel

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Erprobung eines Elektrolyseurs-Funktionsmuster auf Basis der Hochtemperatur-PEM-Technologie, das mit Wasserdampf betrieben wird. Dazu werden PBI-Membranen, die bereits in HT-PEM-Brennstoffzellen eingesetzt werden, weiter verbessert. Desweiteren müssen Materialien und Materialstrukturen für die porösen Stromverteiler gefunden werden um diese mit dem Katalysator zu beschichten und sie anschließend im Verbund mit anderen Zellenkomponenten zu testen.

Angestrebte Forschungsergebnisse

  • Modifizierte protonenleitende Blend-Membranen auf PBI-Basis, geeignet für den Einsatz in HT-PEM-Elektrolyseuren.
  • Verfahren zur reproduzierbaren Beschichtungen der ausgewählten porösen Stromverteiler mit geeigneten Katalysatoren.
  • Materialauswahl, Konstruktion, Fertigung und Oberflächenveredelung der für den Aufbau des Elektrolyseurs notwendigen Bipolar-Platten.
  • Entwicklung eines flüssigkeitsgekühlten Hochtemperatur PEM-Elektrolyseurs auf Basis der modifizierten Membranen und der ausgewählten Materialien als Funktionsmuster.

Lösungsweg zum Erreichen des Forschungsziels

Um die angestrebten Forschungsziele zu erreichen werden folgende Strategien verfolgt:

  1. Entwicklung angepasster Membranen auf PBI-Basis
    Membrane bestehen aus einem ternären Blend PBI/sulfoniertes und teilfluoriertes Arylpolymer/H3PO4

  2. Entwicklung von Nanokompositmembranen
    In die PBI-Blendmembranen werden Zirkon(hydrogen)phosphat (ZrP)-Nanoteilchen eingebracht, um die Phosphorsäure besser in der Membranmatrix zu sorbieren.

  3. Entwicklung von Dreischichtmembranen
    Auf die ternäre Blendmembran PBI/sulfoniertes Polymer/ H3PO4 wird auf beiden Seiten eine dünne Schicht (in der Größenordnung 1μm) des sulfonierten Polymers, durch Sprühen einer Polymerlösung in einem dipolar- aprotischen Lösungsmittel aufgebracht. Dadurch soll das „Ausbluten“ der Phosphorsäure aus der ternären Mittelmembran verhindert werden.

  4. Entwicklung verstärkter Membranen
    Zur weiteren Verbesserung der mechanischen Stabilität sollen die Blendmembranen mit kommerziell erhältlichen porösen und mechanisch sowie chemisch hochstabilen PTFE-Folien verstärkt werden.

  5. Dotierung der PTFE- verstärkten Blendmembran mit ZrP-Nanopartikeln
    Wie bei Punkt i sollen in die Blendmembranen Zirkon(hydrogen)phosphat (ZrP)-Nanopartikel eingebracht werden um die H3PO4-sorption in der Membran zu verbessern

  6. Entwicklung verstärkter Dreischichtmembranen
    Auf die in AP iv. und /oder AP v. sollen dünne Schichten des sulfonierten Polymers aufgebracht werden, um das „Ausbluten“ des Protonenleiters Phosphorsäure zu verhindern

 

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