Additiv hergestellte Membran-Elektroden-Einheiten mit hohem Porositätsgrad (AM-MEA)

• Antragsteller: Dr. Volker Brüser; Dr.-Ing. Jörg Hermsdorf
• Fachliche Zuordnung: Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575510032

Grüner Wasserstoff aus regenerativen Quellen ist für die Energiewende einschliesslich der Dekarbonisierung von entscheidender Bedeutung. Effiziente Elektrolyseure sind für die H2-erzeugung unerlässlich und erfordern innovative technische Ansätze zur Optimierung poröser Transportschichten (PTL) und Katalysatorschichten. Die additive Fertigung (AM) bietet die Flexibilität, die Diffusion zu verbessern und ohmsche Verluste zu minimieren, indem die Porengrößenverteilung in der PTL kontrolliert und gleichzeitig Materialressourcen geschont werden. Durch die Kombination einer mit Katalysator beschichteten PTL mit einer vollständig bedeckenden Katalysatorschicht wird während des Heißpressens mit der Membran eine Dreiphasengrenze erzeugt, die die Diffusion von Protonen, Sauerstoff und Wasser fördert. Dieser Ansatz zeichnet sich durch hervorragende Degradationseigenschaften und einen geringen Kontaktwiderstand aus, da bei der Abscheidung des Katalysators auf dem Substrat stabile Bindungen entstehen. Darüber hinaus führt die Verwendung einer selbsttragenden Struktur mit hoher elektrochemischer Aktivität und geringer Beladung für die Katalysatorschicht einen neuartigen Aspekt im Vergleich zu herkömmlichen Partikelkatalysatoren in beschichteten Membranen ein. In einem gemeinsamen Projekt werden neue Produktionsmethoden für Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) durch laserbasierte additive Fertigung untersucht. Das Projekt zielt auch darauf ab, die Polymerelektrolytmembran (PEM)-Elektrolyse durch Untersuchung der mechanischen und materiellen Eigenschaften sowie der physikalischen Abscheidungsprozesse für elektrokatalytische Anwendungen zu optimieren. Im Rahmen des Projekts wird ein innovativer Ansatz für die PEM-Wasserelektrolyse entwickelt, bei dem eine abgestufte, 3D-gedruckte poröse Transportschicht (PTL) mit einer hochporösen, selbsttragenden Katalysatorschicht kombiniert wird. Der Schwerpunkt liegt auf dem Verständnis der Grenzfläche zwischen diesen Komponenten, um einen effizienten Reaktantentransport und elektrochemische Reaktionen zu ermöglichen. Das Projekt untersucht auch einen sequenziellen Prozess unter Verwendung von Sputterverfahren zur Abscheidung einer nanoporösen Katalysatorschicht auf der PTL. Zu den Zielen gehören die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Stofftransport und PTL-Porosität, die Optimierung der Prozessparameter für die additive Fertigung, die Veredelung metallischer Oberflächen und das Erreichen einer hohen katalytischen Aktivität bei geringer Katalysatormasse. Zwei Hauptziele sind (a) die Herstellung von 3D-gradierten PTLs mit einer Porosität zwischen 40 und 60 % bei einem mittleren Porendurchmesser zwischen 5 und 200 µm mit einer maximalen Standardabweichung von 15 % und (b) eine um 33 % höhere Stromdichte (4 A cm-2 bei 2 V) im Vergleich zu derzeit handelsüblichen MEAs bei gleichzeitiger Reduzierung der Ir-Beladung im Einzelzellen-Elektrolyseur.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen