Neuartige anionenleitfähige Membranen für die Elektrolyse

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Wie Wasserstoff kostengünstig und nachhaltig erzeugt werden kann, gehört
zu den zentralen Fragen der Energiewende. Hochleitfähige Membranen für
Elektrolyseure sind eine Schlüsselkomponente der Wasserstofftechnologie.
Ein Forschungsteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung
IAP entwickelte nun zusammen mit dem Zentrum für Brennstoffzellen Technik
ZBT GmbH innovative Anionenaustauscher-Membranen (AEM), die es
ermöglichen, Kosten für Elektrolyseure zu reduzieren und Wasserstoff
umweltfreundlich als klimaneutrale Energiequelle zu erschließen.

Forschenden am Fraunhofer IAP gelang es, eine neue Klasse
vielversprechender Anionenaustauscher-Polymere zu synthetisieren und
daraus Membranen zu fertigen. Sie sind die Grundlage für die Entwicklung
kostengünstiger, effizienter Elektrolyseure – sogenannte
Anionenaustauschermembran-Wasserelektrolyseure (AEM-WE). »Unsere Membranen
ermöglichen es, AEM-WE zu fertigen, die prinzipiell ohne Edelmetalle
auskommen und keine Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) enthalten.
Damit ebnen wir den Weg für innovative Systemarchitekturen, die preiswert
und umweltschonend zugleich sind«, erläutert Dr. Taybet Bilkay-Troni,
Leiterin der Abteilung Polymere und Elektronik am Fraunhofer IAP, die
Vorteile der neuartigen Polymertechnologie. Die Entwicklung der neuen
Anionenaustauscher-Polymere und der daraus resultierenden Membranen ist
ein wichtiger Schritt für die Wasserstoff-Industrie in Deutschland.
»Hersteller von Elektrolyseuren sowie deren Zulieferer profitieren von
unseren gewonnenen Erkenntnissen«, unterstreicht Bilkay-Troni.


Kostengünstig und umweltschonend

Derzeit erhältliche Membranen, wie beispielsweise der Marke Nafion,
basieren auf dem Prinzip der Protonenleitung, die in der
Protonenaustauschermembran-Wasserelektrolyse (kurz PEM-WE) angewendet
wird. Diese erfordert Katalysatoren aus teuren Edelmetallen, wie
beispielsweise Iridium. Die verwendeten Membranen enthalten zudem einen
hohen Anteil von PFAS, welche in der Umwelt nur schwer abgebaut werden
können und unter Verdacht stehen, krebserregend zu sein. Die neu
entwickelten Anionenaustauschermembranen hingegen ermöglichen den
Elektrolysebetrieb mit kostengünstigen Übergangsmetallen. Sie sind frei
von PFAS und können über das Jahr 2025 hinaus im Einklang mit dem
geplanten Beschränkungsprozess für PFAS innerhalb der EU
Chemikalienverordnung REACH verwendet werden.

Für die Entwicklung von AEMs fehlten bisher hochleitfähige Materialien,
die chemisch stabil sind und den Bedingungen in alkalischen
Elektrolyseuren und Brennstoffzellen standhalten. »Diese Lücke schließen
wir nun mit unseren neu entwickelten Polymeren«, erklärt Bilkay-Troni. Die
neuartigen PFAS-freien Polyphenylchinoxaline (PPQs) weisen eine sehr gute
Alkalistabilität auf. Auf Basis der PPQs stellte das Team am Fraunhofer
IAP hydroxidionenleitfähige Membranen her, die für Anwendungen in
Elektrolyseuren geeignet sind. Das belegen in-situ Tests des Zentrums für
Brennstoffzellen Technik ZBT GmbH. Die neuen Membranen erreichen im
Elektrolysebetrieb eine Stromdichte von 0,5 Ampere pro Quadratzentimeter
bei einer Spannung von zwei Volt. Die spezifische Leitfähigkeit für
Hydroxidionen der neu entwickelten Membranen beträgt rund acht
Millisiemens pro Zentimeter bei 60 Grad Celsius und 95 Prozent relative
Feuchte. »Die Membranen werden weiterentwickelt, um ihre Anionen-
Leitfähigkeit zu erhöhen. Ziel ist es, unter gleichen Bedingungen 40
Millisiemens pro Zentimeter zu erreichen, um mit den vorkommerziellen AEM-
Materialien konkurrenzfähig zu sein. Mit den neuartigen Polymeren sind wir
auf einem guten Weg, die Leitfähigkeit, die Stabilität und damit die
Performance des Elektrolyseurs signifikant zu verbessern. Zusätzlich
könnten diese AEM-Materialien in Zukunft auch in Brennstoffzellen
Anwendung finden«, resümieren Dr. Ivan Radev und Miriam Hesse,
Projektverantwortliche am Zentrum für Brennstoffzellen Technik ZBT GmbH.



Förderung

Das Projekt »Entwicklung von chemisch stabilen und kostengünstigen
Anionenaustauschermembranen mit hoher OH--Leitfähigkeit für Brennstoff-
und Elektrolyse-Zellen auf Basis von Blockcopolyphenylchinoxalinen« 21055
BG des Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e.V. - IUTA wurde
über die AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
»Otto von Guericke« e.V. im Rahmen des Programms zur Förderung der
Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für
Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.