26. Juli 2023 | Ein Forschungsteam am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) hat mit dem Zentrum für Brennstoffzellen Technik (ZBT) neuartige Anionenaustauscher-Membranen (AEM) entwickelt. Diese reduzieren die Kosten für Elektrolyseure. Zukünftig könnten die Membranen außerdem in Brennstoffzellen Anwendung finden.
Forschenden am Fraunhofer IAP gelang es, eine neue Klasse 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.
Elektrolyse ohne PFAS
Derzeit erhältliche Membranen basieren auf dem Prinzip der Protonenleitung, die in der Protonenaustauschermembran-Wasserelektrolyse (PEM-WE) zum Einsatz kommt. Diese erfordert Katalysatoren aus teuren Edelmetallen, wie beispielsweise Iridium.
Die verwendeten Membranen enthalten zudem einen hohen Anteil von PFAS. Diese bauen sich in der Umwelt kaum ab und stehen unter Verdacht, krebserregend zu sein.
Die neu entwickelten AEMs 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.
Hochleitfähige Materialien für Elektrolyse
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.
Anwendung in Brennstoffzellen
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 ZBT.
