Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Lebensdauer- und Leistungserhöhung (POWER) von Polymerelektrolytmembranelektrolyseuren durch Hochleistungsmembranelektrodeneinheiten (MEE)

Bearbeiter: Dipl.-Chem. Johannes Bender, Dr. Jochen Kerres

   

Projektpartner
  • Prof. Dr. Simon Thiele, Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien, Erlangen
  • Prof. Dr. Roland Zengerle, Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft, Villingen-Schwenningen
  • Dr. Tom Smolinka, Fraunhofer-Institut für Solare Energietechnik ISE, Freiburg
  • Prof. Dr. Richard Hanke-Rauschenbach, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik, Hannover

Forschungsziele

Für die Zielvorgaben des Energiekonzepts 2050 ist der Einsatz von Elektrolysezellen und speziell von Polymerelektrolytmembranelektrolyseuren (PEMELs) als Energiewandler von zentraler Wichtigkeit. Geringe Lebensdauer und damit verbundenen Verluste in der Umwandlungseffektivität, sowie die Verbesserung des Polarisationsverhaltens bei Verringerung der Kosten sind die wesentlichen Herausforderungen der Materialforschung an PEMELs. Das zentrale Ziel von POWER-MEE besteht darin, Hochleistungs-Membranelektrodeneinheiten (MEEs) mit geringer Katalysatorbeladung und Polarisation in den Elektroden sowie sehr guten Transporteigenschaften in der Elektrolytmembran zu erforschen und zu entwickeln. Ein weiteres Ziel ist die Untersuchung und Reduktion von Alterungseffekten in den MEEs. Im Kern beruhen die Neuerungen zur Herstellung der Hochleistungs-MEEs auf drei Punkten:

  1. Die chemische Synthese neuer Membranmaterialien mit einstellbarer Mikrophasenseparation für höhere Lebensdauern und höhere Leistungsdichten
  2. Ein inkjetdruck basiertes Verfahren zur Herstellung von Katalysatorschichten mit geringen Beladungen und hoher Anbindung an die Membran auf porösen Stromsammlern
  3. Ein inkjetdruck basiertes Verfahren zur Herstellung von Hochleistungsmembranen die direkt auf die Katalysatorschichten abgeschieden werden

Polymer Membran Systeme

Block Copolymere

Um stabile Membrane für Elektrolyseure herzustellen, sollen mikrophasenseparierte Blockcopolymere entwickelt werden. Dabei sollen zunächst die hydrophilen und die hydrophoben Blöcke separat synthetisiert werden, wobei die Blocklängen der Blöcke dahingehend systematisch variiert werden sollen, um die für die Elektrolyse notwendigen Eigenschaften (chemische Stabilität, möglichst niedrige H2/O2-Crossover verbunden mit möglichst hoher Protonenleitfähigkeit) zu erzielen.

In einem zweiten Schritt sollen die hydrophilen und die hydrophoben Blöcke zu Blockcopolymeren Blöcke durch Polykondensation zusammengefügt werden. Dabei sollen die hydrophilen und die hydrophoben Blöcke aus chemisch besonders stabilen Monomeren zusammengefügt werden.

In einem dritten Schritt werden die Thioether-verbrückten Multiblock-co-Ionomere oxidiert, dabei entstehen Sulfon-Gruppen die chemisch Stabiler als Thioether-Gruppen sein sollen.

Ionisch vernetzte mikrophasenseparierte Blockcopolymer-Blendmembran

Diejenigen Blockcopolymere mit maßgeschneiderten Eigenschaften sollen mit geeigneten basischen Polymeren (vorzugsweise mit hochstabilen Polybenzimidazolen) geblendet werden, um diese bei den angestrebten Betriebstemperaturen von 80°C zu stabilisieren und möglichst auch ihre H2-Permeabilität zu reduzieren.

Stabilitätstest

Die Membranen sollen ex-situ und in-situ Stabilitätstests unterworfen werden, um ihre Langzeitstabilität zu ermitteln. In Ex-situ Stabilitätstests werden die Membranen einer Behandlung in oxidierendem Medium zugeführt. Oxidierendes Medium ist dabei entweder eine 5%ige H2O2-Lösung bei 60°C oder Fentons Reagenz (3% H2O2, 4 ppm Fe2+, 68°C). Nach unterschiedlichen Verweilzeiten im oxidierenden Medium werden die verbleibenden ungelösten Membranrückstände unterschiedlichen Charakterisierungsverfahren unterworfen. In-situ Stabilitätstests werden die Membranen in einer DMFC unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterworfen. Danach werden sie mit unterschiedlichen Charakterisierungsmethoden untersucht.

Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt  Johannes Bender
Dipl.-Chem.

Johannes Bender

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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