NSERC-DFG SUSTAIN: In-operando Visualisierung des Transports von Katalysatorionen in PEM Brennstoffzellen und Elektrolyseuren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. John Linkhorst
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534254124

Um den steigenden Energiebedarf auf nachhaltige Weise zu decken, haben Deutschland und Kanada Wasserstoff als einen der vielversprechendsten Wege zur Dekarbonisierung des Energiesektors erkannt. Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolyseure sind Schlüsseltechnologien in dieser Wasserstoffwirtschaft. Damit diese Technologien in großem Maßstab eingesetzt werden können, müssen der stabile Langzeitbetrieb verbessert und die Kosten gesenkt werden. Zwei Schwachstellen, die einen dauerhaften Betrieb verhindern, sind Auslaugung des Katalysators und PEM-Degradation. Beides wirkt sich negativ auf die elektrochemisch nutzbare Katalysatorfläche aus, was zu einem Leistungsverlust führt. Insbesondere das Lösen und erneute Ablagern von Katalysatormetallionen aus der Katalysatorschicht in die PEM sind von entscheidender Bedeutung, aber nur unzureichend beschrieben. Diese Phänomene werden stark vom Hydratationsgrad der PEM beeinflusst. Darüber hinaus wird die Verwendung von umweltschädlichen Membranen auf Fluorkohlenstoffbasis in Brennstoffzellen und Elektrolyseuren derzeit in Frage gestellt. Es wird erwartet, dass neuartige Membranen auf Kohlenwasserstoffbasis sie ersetzen werden. In diesem Projekt wollen wir die Dynamik sowohl des Wasser- als auch des Ionentransports in Polyelektrolyt-Membranen auf verschiedenen Längenskalen charakterisieren. Um Einblicke in die Faktoren zu gewinnen, die die Haltbarkeit von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren steuern, kombiniert das vorgeschlagene Projekt neuartige experimentelle Techniken wie In-operando-Visualisierung und Ex-situ- Membrancharakterisierung mit numerischen Simulationen. Ein mikrofluidisches Modellsystem wird eingesetzt, um Transportphänomene auf der Mikroskala zu untersuchen. Eine größere Zelle mit identischem Membran- und Elektrodenmaterial wie im klassischen Labormaßstab wird Einblicke in die Auswirkungen des Hydratationsgrads liefern und Mikrofluidik und Labormaßstab verknüpfen. Im Labormaßstab werden sowohl herkömmliche Fluorkohlenwasserstoff- als auch neuartige Kohlenwasserstoff-PEM getestet, um die elektrochemische Leistung, die PEM-Hydratisierung sowie den Katalysator- und Membranabbau zu vergleichen. Zusätzlich werden Simulationen den Vergleich und die Interpretation der Ergebnisse im Mikro- und Makromaßstab erleichtern. Für die In-situ-Charakterisierung des Wasser- und Ionentransports in mikrofluidischen Zellen wird hauptsächlich Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Im Labormaßstab werden Wasseraufnahme und der Protonenleitfähigkeit der Membran gemessen sowie Elektronenmikroskopie und Elementaranalyse von Membran-Elektroden-Anordnungen durchgeführt. Durch das Verständnis der Grundlagen von Transportprozessen im Mikro- und Makromaßstab werden die von uns vorgeschlagenen Versuche direkt zur Entwicklung neuer Materialien und zur Identifizierung von Betriebsstrategien beitragen, um die Degradation von PEM-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zu mindern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada
• Partnerorganisation: Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Matthias Wessling
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professorin Dr. Anne Benneker; Professor Kunal Karan, Ph.D.