Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung poröser papiertechnisch hergestellter Titan-Stromverteiler für die PEM-Elektrolyse

In diesem Projekt sollen Stromverteiler entwickelt werden, die über die Verwendung eines papiertechnischen Prozesses mit deutlich günstigeren Produktionskosten herstellbar sind als bisherige Lösungen. Eine erste Abschätzung zeigt ein Kostenreduktionspotential für den Elektrolyseur von ca. 20 % im Vergleich zum Einsatz herkömmlicher Titansinterkörper. Ferner könnten die neuen Strukturen durch ihre Morphologie und ihre geringere Materialstärke zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Elektrolyseurs beitragen.

Um diese Ziele zu erreichen, werden neben den für die Papierherstellung notwendigen Materialien im Wesentlichen zellulosebasierte Faserstoffe, Titanhydridpulver in den Papierwerkstoff eingebunden. Die Zellulosefasern und sonstigen Zuschlagstoffe werden vom Metallpulver umhüllt und können so gezielt dazu genutzt werden, unterschiedliche Porenformen und –größen sowie Gesamt-Porositäten einzustellen. In einem anschließenden Sinterprozess werden alle organischen Bestandteile (zellulosische Fasermatrix) entfernt und das Metallpulver versintert, so dass eine rein metallische Struktur entsteht.

Im Detail sollen hochgradig mit Titanhydrid angereicherte flächige Sinter-Grünkörper über den Papierprozess hergestellt, durch Sintern in Titan-Werkstoffe mit definierter und gut reproduzierbarer Porosität überführt, diese strömungsmechanisch und elektrochemisch analysiert und deren Herstellparameter auf Basis der Analyseergebnisse optimiert werden.

Der Nutzen für KMU liegt in den Bereichen neuer und höherwertiger Produktoptionen für metall-gefüllte Papiere, Einstieg in neue Anwenderbranchen und Marktsegmente, dem Zugang zu neuen Sintertechnologien für (poröse) Titanwerkstoffe, Anwendung eines neuartigen Stromverteiler-Materials (funktionsoptimiert) zur Steigerung der Effizienz und Reduzierung Herstellungskosten von Elektrolysezellen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines funktions-optimierten kostengünstigen Stromverteilers zur Anwendung in PEM-Elektrolyse-Zellen (Proton-Exchange-Membrane) auf Basis eines porösen Titan-Sintermaterials, hergestellt aus hochgefülltem Spezialpapier. Aus Faser- und Füllstoffen sowie Additiven wurde mittels Blattbildungsprozesses ein hochgefülltes Medium hergestellt und zu einem Sinter-Halbzeug weiterverarbeitet. Durch die Sinterung wurde der metallische Sinter-Werkstoff erzeugt, welcher in den Elektrolysezellen als Stromverteiler verwendet werden kann.

In Laborversuchen konnte gezeigt werden, dass die Herstellung eines mit Titanhydrid- und Titanpartikel hochgefüllten Papieres möglich ist. Die detaillierten Untersuchungen wurden auf den Füllstoff Titan beschränkt, da aufgrund zu hoher Verunreinigungen die Ergebnisse beim Sintern mit Titanhydrid nicht zielführend waren. Aufgrund von Problemen bei der Entbinderung und Sinterung waren weitere Anpassungen bei der Blattbildung nötig. Die untersuchten Rezepturen wurden verfeinert und dahingehend optimiert, dass nach dem Sintern weniger Verunreinigungen im Metall vorliegen.

Zur in-situ-Charakterisierung der entwickelten Stromverteiler wurde eine optisch zugängliche Elektrolyse-Testzelle entwickelt, welche die Beobachtung und Analyse der anodenseitigen Gasblasen- und Strömungsentwicklung im laufenden Testbetrieb ermöglicht.

Die entwickelten Stromverteiler konnten erfolgreich in der Testzelle eingesetzt und untersucht werden. Hierbei erlaubt die optisch zugängliche Testzelle Einblicke in die sich im Betrieb ausbildenden anodenseitigen Strömungsformen. Dies ermöglichte das Anfertigen einer Strömungskarte, in der die Strömungsform in Abhängigkeit vom Lastpunkt der Zelle bzw. der eingestellten Stromdichte eingetragen ist.