Wasserstoff

Polymerelektrolytmembranen (PEM) bestehen aus Ionomerwerkstoffen, bei denen saure oder basische Funktionalitäten den Ionentransport durch das Material bestimmen. Unsere Spezialität ist die Einführung einer zusätzlichen anorganischen Phase in das Polymer (Abb. 1), um die chemische, mechanische und thermische Stabilität zu erhöhen und die Barrierefunktion für andere Substanzen zu erhöhen. Wir haben verschiedene Teststände aufgebaut, um den Cross-over z.B. von Gasen wie Wasserstoff (Abb. 3, 4) oder auch von Ethanol (Abb. 2) in einem weiten Prozessfenster zu untersuchen. Schwerpunkte unserer Arbeit sind Membranen für Brennstoffzellen, Elektrolyseure und die elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid in hochwertige chemische Produkte. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Grenzfläche zwischen der Elektrode, der Katalysatorschicht und der Membran.

Raster-Elektronenmikroskopbild einer Kompositmembran.
REM-Aufnahme einer Mixed-Matrix-Ionomermembran
Testzelle zur Bestimmung des Wasserstoff Cross-overs
© Fraunhofer IGB
Testzelle zur Bestimmung des Wasserstoff Cross-overs bei Drücken bis 50 bar und Temperaturen bis 80°C
Ermittlung der Ethanolpermeabilität in einer fl-fl-Diffusionszelle. Gezeigt ist die Ethanolpermeabilität von Kompositmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich zur reinen Polymermembran.
© Fraunhofer IGB
Ermittlung der Ethanolpermeabilität in einer fl-fl-Diffusionszelle. Gezeigt ist die Ethanolpermeabilität von Kompositmembranen unterschiedlicher Zusammensetzung im Vergleich zur reinen Polymermembran.
Arrhenius-Plot verschiedener Gase für den Cross-over über eine Ionomermembran
© Fraunhofer IGB
Arrhenius-Plot verschiedener Gase für den Cross-over über eine Ionomermembran

Unter anderem für Alkohol-Brennstoffzellen haben wir ein wässriges Bindemittelsystem auf sPEEK-Basis (sulfonated poly[ether ether ketone]) entwickelt, um die Kompatibilität dieser Schichten zu optimieren und die Schichten mittels Siebdrucktechnik zu applizieren. Die Anforderungen an diese Schichten reichen dabei von einer geeigneten Porosität für die Zuführung und Entfernung von Reaktanten bis hin zu einem geringen elektrischen Widerstand.

Membranen können allerdings nicht nur für elektrochemische Prozesse verwendet werden, sondern auch für die Verschiebung thermodynamischer Gleichgewichte. So kann etwa z.B. über die Entfernung des Sauerstoffs mit Hilfe gemischtleitender Perowskitmembranen das Gleichgewicht der Wasserspaltung verschoben und somit Wasserstoff gewonnen werden.

Publikationen

  1. Roelofs, K. S., Hirth, T., & Schiestel, T. (2010). Sulfonated poly(ether ether ketone)-based silica nanocomposite membranes for direct ethanol fuel cells. Journal of Membrane Science, 346(1), 215-226. doi:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2009.09.041
  2. Roelofs, K. S., Hirth, T., & Schiestel, T. (2011). Dihydrogenimidazole modified silica-sulfonated poly(ether ether ketone) hybrid materials as electrolyte membranes for direct ethanol fuel cells. Materials Science and Engineering: B, 176(9), 727-735. doi:https://doi.org/10.1016/j.mseb.2011.02.029.
  3. C. Cremers, F. Jung, B. Kintzel, K.S. Roelofs, T. Schiestel, J. Tübke, Development of Direct Ethanol Fuel Cell Membrane Electrode Assemblies Using Sulfonated Polyetheretherketone Mixed-Matrix Membranes, ECS Trans., 25 (1), 2009, 1685.
  4. Jiang, H., Wang, H., Werth, S., Schiestel, T., & Caro, J. (2008). Simultaneous production of hydrogen and synthesis gas by combining water splitting with partial oxidation of methane in a hollow-fiber membrane reactor. Angewandte Chemie, International Edition, 47(48), 9341-9344.