Mikrofluidische in-operando-Untersuchung des Platin-Transports in Protonenaustauschmembranen für Elektrolyseure und Brennstoffzellen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Sebastian Brosch
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 584721313

Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWEs) und Brennstoffzellen (PEMFCs) sind Schlüsseltechnologien für eine nachhaltige Wasserstoffwirtschaft. Ihre Langzeitstabilität wird jedoch durch die Degradation der Katalysatorschichten und infolgedessen, Inhibierung des Protonentransports innerhalb der Protonenaustauschmembran (PEM) eingeschränkt. Die Auflösung und Migration von Platinverbindungen aus dem Katalysator in die Membran verringern die elektrochemisch aktive Oberfläche und beeinträchtigen den Protonentransport, doch die zugrunde liegenden Transportmechanismen sind weitgehend noch nicht verstanden, insbesondere unter transienten und in-operando-Bedingungen. Gleichzeitig motivieren zunehmende Umweltbedenken und regulatorischer Druck auf fluorierte Polymere die Entwicklung von fluorfreien PEMs auf Kohlenwasserstoffbasis, deren Transporteigenschaften weitgehend unerforscht sind. Dieses Projekt zielt darauf ab, ein mechanistisches Verständnis des gekoppelten Transports von Wasser, Protonen und Platin-Ionen in Protonenaustauschmembranen zu erlangen und Membraneigenschaften zu identifizieren, die den Katalysatorabbau unterdrücken. Zu diesem Zweck wird eine mikrofluidische Plattform entwickelt, die aus Protonenaustauschmembranen und porösen Elektroden besteht, um einen simultanen elektrochemischen Betrieb und eine optische Charakterisierung zu ermöglichen. Mithilfe von Fluoreszenzmikroskopie mit wasser- und platinsensitiven Farbstoffen werden transiente Hydratationsdynamik und Platinionenmobilität unter realistischen Betriebsbedingungen direkt in der Membran quantifiziert. Erste Studien werden sich auf den Wassertransport und die Grenzflächenhydratation in Referenzmaterialien aus Perfluorsulfonsäure konzentrieren, gefolgt von systematischen Untersuchungen modernster Kohlenwasserstoffmembranen. Der Platintransport wird mit Hilfe von synthetisierten platinempfindlichen Fluoreszenzsensoren untersucht. Zunächst werden interdigitalen Elektroden mit bekannter und kontrollierter Geometrie verwendet, und anschließend vollständig integrierte mikrofluidische Elektrolyseur- und Brennstoffzellenkonfigurationen untersucht. Dazu werden unter anderem beschleunigte Belastungstests durchgeführt. Ergänzende elektrochemische Messungen werden in operando die Leistung und das Degradationsverhalten validieren. Schließlich werden der Protonentransport und der elektroosmotische Widerstand mithilfe von Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebungsmikroskopie quantifiziert, was die Entwicklung eines ganzheitlichen Transportmodells ermöglicht, das Hydratation, Ionenmobilität und Katalysatorabbau miteinander verknüpft. Das Projekt wird grundlegende Erkenntnisse über die membrangesteuerte Katalysatorstabilität liefern und mikrofluidische in-operando-Methoden etablieren, die auf ein breites Spektrum elektrochemischer Energietechnologien anwendbar sind.

• DFG-Verfahren: Stipendium
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeberin: Professorin Dr. Anne Benneker