Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von chemisch stabilen und kostengünstigen Anionenaustauschermembranen mit hoher OH--Leitfähigkeit für Brennstoff- und Elektrolyse-Zellen auf Basis von Blockcopolyphenylchinoxalinen

 

Die bisher kommerziell verfügbaren Ionenaustauschermembranen basieren vorwiegend auf der Protonenleitung. Der Einsatz von Anionenaustauschermembranen (AEMs) würde die Nutzung von z.B. billigeren Übergangsmetallkatalysatoren anstelle von Edelmetallkatalysatoren in der Elektrolyse und Brennstoffzelle ermöglichen. Der bisherige Haupthinderungsgrund für die Entwicklung von AEMs war die fehlende Verfügbarkeit von hochleitfähigen Anionenaustauschermaterialien. Außerdem stellt das Erreichen der chemischen Stabilität der AEMs gegenüber der stark nukleophilen und basischen Natur der Hydroxidionen eine Herausforderung dar. Deshalb wird intensiv nach neuen positiv geladenen Polymeren gesucht, die das Potential einer verbesserten Alkalistabilität aufweisen.

Im geplanten Vorhaben soll, basierend auf Vorarbeiten der FE1, ein neues Konzept zum Aufbau von chemisch stabilen, hydroxidionenleitfähigen Polymeren erarbeitet werden auf der Basis von heteroaromatischen Hauptkettenpolymeren, wie Polyphenylquinoxaline; daraus sollen Membranen präpariert und deren Einsatz als AEM primär in alkalischen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen aufgezeigt werden.

Sowohl die Synthese der Monomere als auch die Polymerisation ist für mittelständische Unternehmen die darauf spezialisiert sind, Auftragssynthesen zur Herstellung von Feinchemikalien durchzuführen von großem Interesse, da sie dadurch ihr bisheriges Produktportfolio erweitern können. In Deutschland existieren außerdem einige Unternehmen mit einem großen Know-how im Bereich der Herstellung von Membranen, die selbst alternative Materialien entwickeln. Außerdem profitieren dann auch KMU, die Stacks und Systeme für Elektrolysen und Brennstoffzellen herstellen. Im Endeffekt profitieren alle Anwender von Brennstoffzellen beispielsweise im Bereich energieautarke Systeme oder besonders auch beim Fahrzeugantrieb.

Ergebniszusammenfassung:

Durch eine verkürzte Quaternisierungszeit von bereits 7 statt 14 Stunden konnten funktionsfähige Membrane und reproduzierbare Messungen nachgewiesen werden. Somit wird schließlich eine hier beobachtete Bestleistung von 530 mA/cm² bei 2 V und eine spez. Leitfähigkeit von 8,28 mS/cm der Membran HP7h 6.2 beobachtet. Das durch dieses Vorhaben deutlich erweiterte Know-how wie auch die Arbeitsmittel für die Synthese, Herstellung, Modifizierung und Charakterisierung von alkalischen Polymeren, Elektrolytmembranen, Dispersionen und Katalysatorschichten wie auch von MEAs stehen nach erfolgreichem Abschluss des hier beantragten Vorhabens an den 2 Forschungsinstituten IAP und ZBT zur Verfügung.

Die Erfolgsaussichten einer industriellen Umsetzung sind sehr hoch, da das abgeschlossene Vorhaben bereits auf eigenen Erfahrungen aufbaut und im Falle eines erneuten Projekterfolges einsatzfähige AEMs (Membranen) und MEAs zur Verfügung stehen würden. Die erhaltenen Forschungsergebnisse ermöglichen damit den Aufbau von Produktionsverfahren für die AEMEL-Technologie für die Wirtschaft. Dabei profitieren kmU’s von der Verwendung kostengünstiger Materialien und einer Effizienzsteigerung der AEM-Elektrolysezelle. Die grundlegenden Technologien der Synthese von chemisch stabilen und kostengünstigen alkalischen Polymeren und AEMs (Folien) mit hohen OH--Leitfähigkeiten, der Herstellung von Dispersionen und Katalysatorschichten, aber auch die Herstellung von CCMs und MEAs sind in zunehmend vielen KMUs vorhanden.

Sehr wahrscheinlich werden die gesammelte Ergebnisse und Erfahrungen im Projekt AEM-BPQ die AEM-Elektrolyse im Vergleich zu PEM-Zellen aufgrund des geringen Geräteaufwands (Herstellung der Polymere), des niedrigeren Preises und der Umweltfreundlichkeit der Polymere und der Membran sowie der Edelmetallfreiheit und des großen Angebots an edelmetallfreien Rohstoffen als attraktive und leistungsstarke Zukunfts-Technologie für Wasserstofferzeugung deutlich voranbringen.