Wasserstoff-Technologien

Membranen für die Wasserstoffwirtschaft

Es ist zu erwarten, dass Membranen an vielen Stellen der Erzeugung und Nutzung von grünem Wasserstoff eine wichtige Rolle spielen werden.

Dies beginnt bei der Bereitstellung von sauberem Wasser für die Elektrolyse (Wasserreinigung), über die elektrochemische Spaltung von Wasser in Polymerelektrolytmembran (PEM)-Elektrolyseuren, bis zur Rückverstromung mittels PEM-Brennstoffzellen.

Für das Wassermanagement in der Brennstoffzelle können auch Membranbefeuchter genutzt werden, die wir am Fraunhofer IGB entwickeln und in automatisierten Testständen prüfen (Feuchtemanagement).

Weitere mögliche Anwendungen für Membranen sind die Auftrennung H2-haltiger Gasgemische mittels Membranen, wie z. B. Palladiummembranen (Gastrennung) oder auch die Gewinnung von Wasserstoff in sogenannten Membranreaktoren durch direkte Spaltung von Wasser (Sauerstoffleitende Perowskit-Kapillarmembranen).

Polymerelektrolytmembranen für die Elektrolyse und Brennstoffzellen

Die in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen eingesetzten Polymerelektrolytmembranen (PEM) bestehen aus Ionomerwerkstoffen, bei denen saure oder basische Funktionalitäten den Ionentransport durch das Material bestimmen. Unsere Spezialität ist die Einführung einer zusätzlichen anorganischen Phase in das Ionomer, um die chemische, mechanische und thermische Stabilität zu erhöhen und die Barrierefunktion für andere Substanzen zu erhöhen.

Wir haben verschiedene Teststände aufgebaut, um den Cross-over von Ionomermembranen, z. B. von Gasen wie Wasserstoff oder auch von Ethanol, in einem weiten Prozessfenster zu untersuchen.

Optimierung der Grenzfläche zwischen Ionomermembran und Elektroden

Unter anderem für Alkohol-Brennstoffzellen haben wir ein wässriges Bindemittelsystem auf sPEEK-Basis (sulfonated poly[ether ether ketone]) entwickelt, um die Kompatibilität dieser Schichten zu optimieren und die Schichten mittels Siebdrucktechnik zu applizieren. Die Anforderungen an diese Schichten reichen dabei von einer geeigneten Porosität für die Zuführung und Entfernung von Reaktanten bis hin zu einem geringen elektrischen Widerstand.

Raster-Elektronenmikroskopbild einer Kompositmembran.
REM-Aufnahme einer Mixed-Matrix-Ionomermembran
Testzelle zur Bestimmung des Wasserstoff Cross-overs
© Fraunhofer IGB
Testzelle zur Bestimmung des Wasserstoff Cross-overs bei Drücken bis 50 bar und Temperaturen bis 80°C
Ermittlung der Ethanolpermeabilität in einer fl-fl-Diffusionszelle. Gezeigt ist die Ethanolpermeabilität von Kompositmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich zur reinen Polymermembran.
© Fraunhofer IGB
Ermittlung der Ethanolpermeabilität in einer fl-fl-Diffusionszelle. Gezeigt ist die Ethanolpermeabilität von Kompositmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich zur reinen Polymermembran.
Arrhenius-Plot verschiedener Gase für den Cross-over über eine Ionomermembran
© Fraunhofer IGB
Arrhenius-Plot verschiedener Gase für den Cross-over über eine Ionomermembran

Leistungen

  • Entwicklung von Mixed-Matrix-PEM-Membranen für erhöhte Stabilität und verbesserte Barrierefunktion
  • Untersuchung des Cross-overs in eigens aufgebauten Testständen
  • Optimierung der Grenzflächen zwischen Ionomermembran und Elektroden

Publikationen

  1. Roelofs, K. S., Hirth, T., & Schiestel, T. (2010). Sulfonated poly(ether ether ketone)-based silica nanocomposite membranes for direct ethanol fuel cells. Journal of Membrane Science, 346(1), 215-226. doi:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.09.041
  2. Roelofs, K. S., Hirth, T., & Schiestel, T. (2011). Dihydrogenimidazole modified silica-sulfonated poly(ether ether ketone) hybrid materials as electrolyte membranes for direct ethanol fuel cells. Materials Science and Engineering: B, 176(9), 727-735. doi:https://doi.org/10.1016/j.mseb.2011.02.029.
  3. C. Cremers, F. Jung, B. Kintzel, K.S. Roelofs, T. Schiestel, J. Tübke, Development of Direct Ethanol Fuel Cell Membrane Electrode Assemblies Using Sulfonated Polyetheretherketone Mixed-Matrix Membranes, ECS Trans., 25 (1), 2009, 1685.