Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

GraphenBlocker - Kosteneffizienter Herstellungsprozess für protonenleitende Hochleistungsmembranen mit Graphen-Diffusionssperre für die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Protonenleitende Membranen sind das Herzstück elektrochemischer Energietechnologien, verfügen aber über eine niedrige Selektivität, wodurch Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Systeme in der Anwendung erheblich reduziert werden. Graphen qualifiziert sich als Protonenleiter und Barrierematerial sowie durch seine herausragende mechanische Stabilität zu einer idealen Membrankomponente, die eine deutliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit und der Langzeitstabilität gewährleisten kann.

In diesem Vorhaben soll ein atmosphärisches plasma-gestütztes Syntheseverfahren zur Herstellung eines Graphen-Suspensionsproduktes aus Alkohol optimiert und ein angepasster Membranbeschichtungs- und -trocknungsprozess für die Herstellung von großflächigen Graphen-Blocker-Membranen entwickelt werden. Die GraphenBlocker-Membran wird zu einer Membran-Elektoden-Einheit verarbeitet und abgestimmte Flowplates konzipiert und angefertigt. Die neue MEA auf der Basis der GraphenBlocker-Membran wird in einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) elektrochemisch hinsichtlich der Methanol-Permeation unter verschiedenen Betriebsbedingungen charakterisiert.

Nach erfolgreicher Durchführung des Vorhabens wird ein kostengünstiges Fertigungsverfahren zur Herstellung von effizienten und langlebigen protonenleitenden Membranen mit hoher Zyklenbeständigkeit für die DMFC vorliegen. Das Projekt adressiert damit einen hochaktuellen Brennpunkt der Materialforschung und -entwicklung für die Energiewandlung. Neben den Partnern im Projektbegleitenden Ausschuss werden auch anderen vorrangig mittelständigen Firmen neue Marktrouten eröffnet, z. B. im Bereich Maschinen- und Anlagenbau, Membranherstellern, Brennstoffzellen, Wasserstofftechnologie und Bereitstellern netzferner Energie und portabler Elektronik.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Projekts ist die Erhöhung der Leistungsdichte der DMFC durch eine Blockierung der Methanol-Diffusion. Des Weiteren wird mit GraphenBlocker auch der dringende generelle Bedarf an der Entwicklung von effizienten und robusten protonenleitenden Membranen in verschiedenen elektrochemischen Einsatzbereichen adressiert. Die protonenleitende GraphenBlocker-Membran kann in Anwendungen in Energiewandlungs- und -speichertechnologien eingesetzt werden. Außerdem kann ein Potential für eine Anwendung in Wasserentsalzungstechnologien gesehen werden.

Die neue Hybridmembran kann aber auch zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Systemen in anderen elektrochemischen Anwendungen in der Energiespeicherung und –umwandlung eingesetzt werden:

- höhere Druckstabilität in PEM-Elektrolyse, da der hydraulische Wassertransport verbessert wird,

- Verhinderung der unerwünschten Gaspermeation in Wasserstoff-betriebenen automotiven Brennstoffzellen und demzufolge Verlängerung der Lebensdauer,

- Verlängerung der Lebensdauer von Vanadium Redox-Flow-Batterien durch Unterdrückung des unerwünschten Vanadium-Cross-Overs,

- Eröffnung von neuen Pfaden in der Entwicklung elektrochemischer Hochdruckverdichter,

- Verlängerung der Lebensdauer von HT-PEM durch Minimierung des Phosphorsäureaustrages.

Mit dem Projekt wurde ein hochaktueller Themenschwerpunkt im Bereich Energietechnik im Themenbereich Materialforschung angesprochen.

Im Projekt konnte die Sperrwirkung der synthetisierten Graphenschichten nachgewiesen werden. Jedoch müssen diese hinsichtlich ihrer Sperrwirkung und Auswirkung auf den ohmschen Widerstand optimiert werden.