Wasserstoffenergie Robustere Membranen helfen der Wasserstoff-Energiewende

Autor / Redakteur: Dr. Mark Steinmann, Dr. Martin Dauner und Ulrich Hagenroth / Peter Königsreuther

Ohne Wasserelektrolyse läuft bei der Gewinnung von Wasserstoff, der als attraktiver, sekundärer Energieträger gilt, nichts. DITF unterstützt mit seinem Know-how diese Technik.

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DITF entwickelt Möglichkeiten, um robustere Membranen (Bild) für die Wasserelektrolyse herzustellen, die ein Schlüsselelement für die Speicherung von Wasserstoff zur Energiewende darstellt.
DITF entwickelt Möglichkeiten, um robustere Membranen (Bild) für die Wasserelektrolyse herzustellen, die ein Schlüsselelement für die Speicherung von Wasserstoff zur Energiewende darstellt.
(Bild: DITF Denkendorf)

Sonnenenergie und andere regenerative Energiearten stehen stellvertretend für die Energiewende in Deutschland. Auch die Wasserstofftechnik gehört dazu. Und die Wasserelektrolyse ist dafür eine Schlüsseltechnologie, die die Energiewende an einer Schwachstelle unterstützen soll, nämlich der Möglichkeit, die gewonnene Energie verlustarm zu speichern. Wasserstoff ist ein Sekundärenergieträger, der aufgrund seiner hohen Energiedichte die effiziente Energiespeicherung ermöglicht. Deshalb kann die Wasserelektrolyse einen entscheidenden Beitrag zur Klimaneutralität leisten.

Wasserstoff ist außerdem ein sauberer Energieträger. In einer Brennstoffzelle wird Wasserstoff in Strom umgewandelt. Er zeichnet er sich dabei durch eine sehr hohe Energieausbeute aus. Wasserstoff ist außerdem transportabel und kann deshalb direkt beim Verbrauchern genutzt werden. Besonders wichtig ist die Wasserstofftechnologie für energieintensive Industrieprozesse wie die Stahlerzeugung oder den Betrieb von Raffinerien. Aber auch für moderne Mobilitätsalternativen steht Wasserstoff hoch im Kurs, und zwar wieder als transportabler Energieträger, der zudem lokal emissionsfrei Energie liefert.

Meet the Poineers of a Carbon-Free Future

Vliesverstärkte Membranen für hochmoderne Wasser-Elektrolysezellen

Im Forschungsverbundprojekt „Elektrolyse made in Baden-Württemberg“ beteiligt sich auch Deutsche Institute für Textil- und Faserforschung Denkendorf (DITF). Und zwar am Aufbau eines hochmodernen Elektrolyseurs für die alkalische Wasserelektrolyse, der dem Technologietransfer in die Industrie dienen soll. Die Projektkoordination liegt beim Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), das den Demonstrator mit einer elektrischen Leistung von 1 MW aufbauen wird. Aufgabe von DITF ist die Entwicklung und Herstellung vliesverstärkter Membranen für die Elektrolysezelle.

Die Wasserelektrolyse ist ein elektrochemischer Vorgang mit dem Ziel, Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen. In einer Elektrolysezelle, wird dabei Wasser auf elektrochemischem Wege aufgespalten und setzt gasförmigen Wasserstoff an einer Kathode und Sauerstoff an einer Anode frei. Anode und Kathode sind dabei durch eine Membran getrennt. Der Stromdurchgang wird durch die Membran nicht unterbrochen. Je nach Aufbau der Elektrolysezelle ermöglicht die Ionenleitfähigkeit der Membran den Austausch von Ionen.

Deshalb sind dünnere Membranen besser als bisherige Typen

Die Membran ist gasdicht und verhindert damit die Durchmischung der entstehenden Gase an Anode und Kathode.

Derartige Membranen sind zwar bereits weit verbreitet, doch haben sie in der Regel aufgrund ihrer Materialstärke einen relativ hohen ohmschen Widerstand. Ein entsprechend höherer Energieaufwand ist deshalb für die effektive Elektrolyse notwendig. Dünnere Membranen, mit besseren elektrochemischen Eigenschaften, sind jedoch bisher nicht robust genug, insbesondere wenn sie in größeren Zellen ihre Aufgabe verrichten sollen, denn sie neigen zu Spannungsrissen aufgrund mechanischer Überlastung.

Feinstfaservliese lösen das Labilitätsproblem bestehender Membranen

An den DITF stellt nun Membranen aus Polymeren (Kunststoffen) her, die modifiziert und damit genau auf ihre Aufgabe abgestimmt werden können. Die Membranen zeigen auch hervorragende elektrochemische Eigenschaften und sind im alkalischen Milieu chemisch stabil – also unter den Bedingungen, wie sie im Inneren von Elektrolysezellen herrschen. Die Membranen sollen außerdem eine gute Dauerbeständigkeit aufweisen. Das bedeutet, dass sie auch unter dauerhafter Belastung nahezu fehlerfrei arbeiten müssen. Die Membranen kann man günstig fertigen und sie sparen auch bei ihrer Nutzung Geld.

Die mechanische Stabilität einer Membran ist, wie gesagt, aber ein zentraler Punkt in der Entwicklung. Zum einen soll sie so dünn wie möglich sein, um hocheffizient zu arbeiten. Zum anderen sollte eine gewisse Dicke nicht unterschritten werden, damit sie für die auftretenden Belastungen stabil genug bleibt. Letztere sind übrigens nicht zu vermeiden, weil bei der Blockmontage die Membranen mit den meist porigen, strukturierten Oberflächen der Elektroden im Block verpresst werden.

Um diese schwierige Situation zu entschärfen, schlagen die Forscher an den DITF einen besonderen Weg ein: Die Membranen können mit Vliesstoffen aus Feinstfasern (Faserdurchmesser 0,2 bis 2µm) mechanisch verstärkt werden. Die Entwicklung geeigneter Vliese, deren struktureller Aufbau und die Wahl ihrer chemischen Zusammensetzung sind dabei eine ebenso große Herausforderung wie die Herstellung der Membranen.

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