Zur Begrenzung der Erderwärmung müssen unter anderem schwer bzw. nicht elektrifizierbare Sektoren (z.B. Schiffs-, Flug-, und Schwerlastverkehr) dekarbonisiert werden. Hierfür kann Wasserstoff verwendet werden, dessen chemische Energie in mobilen Anwendungen durch Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen (PEMFCs) in elektrische Energie umgewandelt wird. Bezüglich der Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer von PEMFCs besteht aber noch Optimierungsbedarf. Hierzu muss u.a. die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) optimiert werden, die bei suboptimalen Betriebsbedingungen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer einbüßt.
Abhängig vom Arbeitspunkt treten im Betrieb zwischen Ein- und Auslass der Reaktionsgase lokal unterschiedliche Betriebsparameter (Gradienten) auf. So kann ein Gradient in der relativen Feuchte der Reaktionsgase zu einer lokalen Über- oder Unterbefeuchtung der MEA führen. Die Elektroden als Teil der MEA können zwar auf eine Gasfeuchte optimiert werden, eine Optimierung auf mehrere Feuchten ist aber nicht möglich. So existieren bei einem einzelnen Elektrodendesign lokal suboptimale Kombinationen aus Feuchtebedingung und Elektrodendesign, die zu Leistungs- und Lebensdauereinbußen führen. Das Verwenden mehrerer Elektrodendesigns zwischen Zelleinlass und -auslass (d.h. In-Plane-Gradient im Elektrodendesign) ermöglicht hingegen die Optimierung jedes Designs auf die lokal vorherrschende Feuchte. Es existieren bereits Forschungsergebnisse zu Elektroden mit In-Plane-Gradienten, an denen mit der Promotion angeknüpft werden soll.
Die Promotion unterscheidet sich von diesen bisherigen Forschungsergebnissen durch die Verwendung eines massentauglichen, skalierbaren Elektroden-Herstellungsprozesses, durch eine Verifizierung der Gradienten nach der Herstellung mittels ex-situ-Charakterisierung sowie durch die Durchführung einer technoökonomischen Analyse. Die Ziele der Promotion sind ein vertieftes Verständnis der Funktionsweise von Elektroden mit In-Plane-Gradienten, die Bewertung der Herstellbarkeit dieser In-Plane-Gradienten mit massentauglichen Herstellungsprozessen und die Bewertung der wirtschaftlichen Sinnhaftigkeit.
Im Erfolgsfall kann diese Promotion die Markteinführung und den Markthochlauf von PEMFCs und damit die Dekarbonisierung des Verkehrssektors unterstützen sowie den Platin-Bedarf der Elektroden verringern und somit die endlichen Platin-Ressourcen schützen.