Abschlussbericht zum Verbundprojekt: Femtosekundenlaser-Strukturierung und Oberflächenfunktionalisierung zur Minimierung der elektrischen Kontakt- und Massentransportwiderstände bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer von Protonenaustauschmembran(PEM)-Wasserelektrolyseuren (FemtoPEM); Teilvorhaben: Beschichtung, physikalische Charakterisierung und Ex-situ Schnellalterungstests

Abstract

Die Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembran (auch PEM-Elektrolyse) gilt als eine der besten Möglichkeiten, Wasserstoff aus Erneuerbaren Energien herzustellen. Um die Kosten zu senken, müssen sich die Effizienz der Technologie und die Lebensdauer der eingesetzten Elektrolyseure allerdings erheblich steigern. Hier setzt das Projekt FemtoPEM an. Ein für die Effizienz entschiedenes Bauteil einer klassischen PEM-Elektrolysezelle ist die poröse Transportschicht aus Titan (Ti-PTL), die ursprünglich für die Filtertechnik entwickelt wurde. Sie befindet sich auf der Anoden-Seite zwischen der Bipolarplatte, und der katalysatorbeschichteten Membran (siehe Abbildung 1). Die Ti-PTL hat die Aufgabe das zu spaltende Wasser zur Membran hin- und das produzierte Sauerstoffgas möglichst widerstandsarm abzutransportieren. Gleichzeit muss die Ti-PTL den elektrischen Strom möglichst verlustfrei zwischen Bipolarplatte und der Reaktionszone an der katalysatorbeschichteten Membran transportieren. Die Idee des Projektes FemtoPEM ist nun die Ti-PTL über eine Oberflächenfunktionalisierung mittels Femtosekundenlaser-Strukturierung und physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) so zu bearbeiten, dass eine Minimierung der elektrischen Kontakt- und Massentransportwiderstände um mindestens 40% bzw. 55% erreicht wird. Die Oberflächenfunktionalisierung mittels PVD und deren Charakterisierung ist zentrale Aufgabe des ISFHs innerhalb des Projekts. Gleichzeitig soll eine Erhöhung der Lebensdauer bzw. Reduzierung der Degradationsrate erreicht werden. Ein weiteres Ziel ist es die spezifischen Überspannungen und Verlustmechanismen, die einen Effizienzverlust verursachen, qualitativ und quantitativ zuordnen zu können. Überspannung in der Zelle können beispielweise durch eine ungleichmäßige Kontaktierung der Ti-PTL an die katalysatorbeschichtete Membran verursacht werden. Des Weiteren sollen die im Verlauf des Projektes entwickelten und etablierten Methoden im Bereich der Oberflächenfunktionalisierung in einen industriell relevanten Prozess vorbereitet werden. Dies dient als wichtiger Baustein für aufbauende Projektvorhaben. Datei-Upload durch TIB