Wasserstoff: Katalysatoren und Membranen für eine nachhaltige Zukunft
Wasserstoff gilt als zentraler Energieträger der Zukunft. Um die
Technologien für die Gewinnung und Nutzung von Wasserstoff
umweltfreundlicher, kostengünstiger und langlebiger zu gestalten, werden
am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP neuartige
Katalysatoren und PFAS-freie Membranen entwickelt und verarbeitet
. Auf der
Hannover-Messe (Halle 13, Stand C41/2) stellt das Institut seine Beiträge
auf dem Stand des Fraunhofer-Wasserstoff-Netzwer
Edelmetallreduzierte Katalysatoren für Elektrolyse und Brennstoffzellen
Katalysatoren sind unverzichtbare Komponenten für die Produktion von
Wasserstoff als auch dessen Umsetzung in Brennstoffzellen zur Erzeugung
von elektrischer Energie. Ihre Hauptaufgabe besteht darin,
elektrochemische Reaktionen zu beschleunigen. Daher beeinflusst ihre
Qualität aber auch deren Kosten direkt die Leistungsfähigkeit und
Haltbarkeit als auch Wirtschaftlichkeit dieser Systeme.
Als katalytisch aktives Elektrodenmaterial werden typischerweise
nanoskalige Edelmetalle wie Platin eingesetzt – ein seltenes und
kostspieliges Metall, dessen Gewinnung mit erheblichen Umweltbelastungen
verbunden ist. Um die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit zu
verbessern, entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
neuartige Multielementkatalysatoren, die mit deutlich weniger Platin
auskommen, ohne dabei die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Multielementkatalysatoren bestehen aus mehreren Metallen oder Elementen
und ermöglichen mehrere Funktionalitäten gleichzeitig auf einer
Katalysatoroberfläche. Gegenüber klassischen Katalysatoren bieten sie
dadurch eine höhere Aktivität, längere Standzeiten und geringere
CO2-Emissionen.
PFAS-freie ionenleitende Membranen
Protonen- oder anionenleitende Membranen sind ebenfalls
Schlüsselkomponenten in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. Sie
gewährleisten den Ionentransport bei gleichzeitiger elektrischer
Isolierung und Gastrennung.
Bislang dominierten Membranen auf Basis von Per- und
Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) den Markt, da sie sehr leistungsfähig und
chemisch stabil sind. Jedoch bringen sie erhebliche ökologische,
gesundheitliche und wirtschaftliche Risiken mit sich: PFAS gelten als
schwer abbaubare Ewigkeitschemikalien, sie reichern sich in der Umwelt und
im menschlichen Körper an, stehen im Verdacht, krebserregend zu sein, und
sind in der Herstellung und der Entsorgung aufwendig und kostspielig.
Als Antwort auf diese Herausforderungen und angesichts strengerer EU-
Umweltauflagen entwickelt das Fraunhofer IAP PFAS-freie Membranen, die
nicht nur umweltfreundlicher, sondern auch leistungsfähiger und
langlebiger sind. Besonders in Anwendungen mit hohen Betriebstemperaturen
wie in Brennstoffzellen bieten diese Membranen deutliche Vorteile.
In aktuellen Forschungsprojekten kombinieren die Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler diese innovativen Membranen mit den selbst entwickelten,
edelmetallreduzierten Multielementkatalysatoren. Ihr Ziel: effiziente,
katalysatorbeschichtete Membranen, die als Kernkomponenten in
Elektrolyseuren und Brennstoffzellen signifikant umweltfreundlicher,
kostengünstiger in der Herstellung und leistungsstärker im Einsatz sind.
Membranen zur Wasserstoff-Aufreinigung
Der durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoff enthält Feuchtigkeit und
Verunreinigungen, die sowohl die Qualität als auch die Sicherheit des
Gases beeinträchtigen können. Umso wichtiger sind daher effiziente
Verfahren zur Abtrennung, Reinigung und Trocknung. Am Fraunhofer IAP
werden dafür innovative Membranen entwickelt, die speziell für niedrige
Drücke ausgelegt sind. Die Membranen für die Trocknung kommen auch in
anderen Industriebereichen wie der Biogasverarbeitung zum Einsatz.
Ein Alleinstellungsmerkmal der Membranentwicklung am Fraunhofer IAP ist
die präzise Anpassung der Membran an spezifische Prozessanforderungen.
Dies umfasst sowohl die Synthese optimierter Polymere als auch die
gezielte Anpassung der Membranstruktur während der Herstellung. So lassen
sich Eigenschaften wie Durchlässigkeit, Porengröße, Porosität, Stabilität
und Permeabilität genau auf den jeweiligen Einsatzbereich abstimmen.
Auf der Hannover-Messe stellt das Institut ein Testmodul vor, das
Wasserstoff aus Abluft im Niederdruckbereich abtrennt. Der so gereinigte
und getrocknete Wasserstoff steht anschließend für weitere technische
Anwendungen zur Verfügung.
Skalierung für den industriellen Einsatz
Damit die neu entwickelten Materialien schnell wirtschaftlich
konkurrenzfähig werden und in der Industrie Anwendung finden, kann das
Fraunhofer IAP die Herstellungsprozesse der Katalysatoren und Membranen
auf industrierelevante Maßstäbe skalieren.
Bei der Entwicklung von Katalysatoren setzen die Forschenden dabei auf die
Herstellung hochwertiger Nanopartikel mittels Flusssynthese. Dieses am
Fraunhofer IAP entwickelte und patentierte Verfahren ermöglicht die
skalierbare Produktion präzise definierter Katalysatornanopartikel im
Technikumsmaßstab.
Die Synthese der für die Membranen benötigten Polymere kann am Fraunhofer-
Pilotanlagenzentrum für Polymersynthese und -verarbeitung PAZ bis in den
Tonnenmaßstab realisiert werden. Verarbeitet werden die entwickelten
Hochleistungsmembranen als Rollenware, was eine effiziente und
kontinuierliche Herstellung für den industriellen Einsatz gewährleistet.
All diese Entwicklungen markieren wichtige Schritte hin zu einer
nachhaltigeren und effizienteren Wasserstoffwirtschaft. Interessierte auf
der Hannover-Messe sind herzlich eingeladen, sich am Stand des Fraunhofer-
Wasserstoff-Netzwerks (Halle 13, Stand C41/2) über diese innovativen
Technologien des Fraunhofer IAP zu informieren.
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Das Fraunhofer-Wasserstoff-Netzwer
Das Fraunhofer-Wasserstoff-Netzwer
Fraunhofer-Instituten und deckt die gesamte Wasserstoff-
Wertschöpfungskette ab – von der Erzeugung über Speicherung und Verteilung
bis hin zur Infrastruktur und vielfältigen Anwendungen in Industrie,
Mobilität, Energie und Wärme. Ziel des Netzwerks ist es, marktreife
Wasserstofftechnologien zu entwickeln und damit einen wichtigen Beitrag
zur Energiewende zu leisten.
