Neuartige anionenleitfähige Membranen für die Elektrolyse

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.

Weitere Informationen:

https://www.iap.fraunhofer.de/de/Pressemitteilungen/2023/neuartige-anionenleitfa…