CapS-PTL: Definierte Porosität für Wasserstofferzeugung mit maximierter Effizienz

Projektbeschreibung

Die PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane) stellt eines der wichtigsten Standbeine zur Herstellung von großen Mengen an Wasserstoff dar. Ein entsprechender Elektrolyseur besteht aus der PEM, die von den Elektroden auf beiden Seiten kontaktiert wird. Zwischen Elektroden und PEM befindet sich die poröse Transportlage (PTL). Derzeit kommen eine Vielzahl von Werkstoffen und Herstellungsverfahren und deren Kombination für PTLs in der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane) zum Einsatz, vom Streckmetall bis zum Sinterkörper, von beschichtetem und unbeschichtetem Titan sowie Edelstählen bis zu Kohlenstoffmaterialien. Eine gezielte Strukturierung der Porosität für diese Werkstoffe auch über mehrere Größenskalen ist bisher nur sehr eingeschränkt möglich, bspw. durch die Verwendung von mehrlagigen Werkstoffen, welche zu einem erhöhten Kontaktwiderstand zwischen den Komponenten führen. Poröse Bauteile werden in der Regel mit Hilfe von Opfermaterialien, direktem Schäumen, der Replikatechnik oder durch partielles Sintern hergestellt. Mittels dieser konventionellen Fertigungsverfahren kann eine gezielte Variation und Einstellung von Porengröße und -geometrie nur eingeschränkt erfolgen.

Hier setzt das CapS-PTL Projekt an. Die Porosität soll in PTLs mittels industrietauglicher Produktionsmittel definiert eingestellt werden können. In der Literatur wurden bereits eindeutige Zusammenhänge zwischen Porosität, Porengröße, Porenkanälen, elektrischer Leitfähigkeit und Kontaktwiderstand mit der Effizienz des Elektrolyseurs beschrieben, welche bisher nur unzureichend in der Komponentengestaltung berücksichtig werden. Üblicherweise werden Lochbleche, Streckmetalle, aber auch Metallvliese sowie unvollständig gesinterte Metallpulver als PTLs genutzt. All diesen Lösungen ist gemein, dass die entsprechenden Herstellungsverfahren geringe bis keine gezielte Kontrolle der Porengröße und -geometrie bezüglich der Funktionalität erlauben. Der hier vorgeschlagene Ansatz mit dem CapS (Capillary Suspension) Verfahren erlaubt eine präzise Kontrolle dieser Parameter. Gleichzeitig sind Porengradienten im Bauteil sowie Metastrukturen, wie Kanäle, zur Steuerung des Massenan- und -abtransportes einstellbar. Zusätzlich können Werkstoffgradienten in die poröse Struktur eingebracht werden. Da mit dem Verfahren eine große Freiheit bei der Wahl der Ausgangsmaterialien besteht, können die Bauteile optimal an die herausfordernden Bedingungen auf der Kathoden- und Anodenseite angepasst werden. Hier führen Temperatur, Feuchtigkeit, elektrische Potentiale und korrosive Umgebungsbedingungen zu starker Degradation der eingesetzten Materialien. Aufgrund der einfachen Prozessierung des Verfahrens auch für große Strukturen ist von einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung auszugehen. Neben den hier erwähnten Einsatzgebieten in Elektrolyseuren sind vielfältige weitere Anwendungen denkbar.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

Herstellung von Porösen Titanelektroden (PTL) auf Basis von Kapillarsuspensionen (CapS).

• Herstellung von Bulk-Porösen Titanelektroden mit Hilfe von Flüssigformgebung. Auf diese Weise können Proben einfach hergestellt und bezüglich der Porosität und Porengröße untersucht werden. Eine Konfektionierung für den Einsatz in einem Testaufbau zur Elektrolyse muss nachträglich erfolgen.
• Herstellung von Dickschicht-Porösen Titanelektroden als Prototyp für eine industrielle Skalierung. Dieser Prozess lässt sich gut industriell anpassen und etwa in Form von Tape-Casting skalieren. Die Proben können bereits in geeigneten Dimensionen hergestellt werden, um sie in einem Testaufbau zu charakterisieren.
• Herstellung von additiv gefertigten Porösen Titanelektroden zur gezielten Metastrukturierung. Mit Hilfe eines 3D-Druckers können die Kapillarsuspensionen in hochkomplexen Geometrien und Strukturierungen hergestellt werden. Dies ist besonders interessant, um die Funktionalitäten der Porösen Titanelektroden gezielt einzustellen. Auf diese Weise können Konzepte entwickelt werden, um die Effizienzen und den Betrieb weiter zu verbessern.
• Bewertung der Porösen Titanelektroden mit Hilfe von Testaufbauten zur Elektrolyse. Die unterschiedlichen Kapillarsuspensionen und Geometrien der Porösen Titanelektroden werden in einem Testaufbau charakterisiert und bewertet. Dies erlaubt in einem iterativen Verfahren sowohl die Kapillarsuspensionen als auch die Geometrien der Porösen Titanelektroden gezielt für die Anwendung zu optimieren. Diese Charakterisierung findet begleitend zu allen anderen Entwicklungen statt, um die Arbeitsergebnisse konkret bewerten zu können.