Im Zuge der Energiewende ist gr\u00c3\u00bcner Wasserstoff als stofflicher Energietr\u00c3\u00a4ger unverzichtbar f\u00c3\u00bcr die Netzstabilisierung und industrielle Anwendungen. Die Protonen-Austausch-Membran-Wasser-Elektrolyse (PEMWE) bietet durch ihre hohe Betriebsdynamik, schnelle An- und Abfahrzeiten sowie kompakte Bauweise ideale Voraussetzungen, um Stromspitzen aus volatilen erneuerbaren Energien abzufangen. Zwei kritische Skalierungshemmnisse verhindern jedoch die Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und gro\u00c3\u0178skalige Umsetzung dieser Schl\u00c3\u00bcsseltechnologie: der notwendige Einsatz seltener Edelmetalle (PGM) sowie umweltsch\u00c3\u00a4dlicher Perfluorsulfons\u00c3\u00a4ure-(PFSA)-Membranen.<\/p>\n
Das zentrale Ziel dieses Promotionsvorhabens ist die Entwicklung technologischer Grundlagen f\u00c3\u00bcr die industrierelevante Produktion von PEM-Elektrolyseuren mit ultra-niedrigen Iridium (Ir)-Beladungen im Sinne des Clean Hydrogen Partnerships der Europ\u00c3\u00a4ischen Union (EU) und dem Einsatz leistungsf\u00c3\u00a4higer, PFAS-freier Membranen und Ionomere. Aktuelle Elektrolyseure ben\u00c3\u00b6tigen bis zu 2 mg_Ir\/cm\u00c2\u00b2, wobei eine Reduktion auf 0,125 mg_PGM\/cm\u00c2\u00b2 angestrebt wird. Um bei konventionellen Ir-Beladungen die Kapazit\u00c3\u00a4tsziele der EU Hydrogen Strategy f\u00c3\u00bcr 2030 zu erreichen, w\u00c3\u00bcrde die doppelte Menge der j\u00c3\u00a4hrlichen globalen Ir-Produktion ben\u00c3\u00b6tigt werden, was ein erhebliches Skalierungshemmnis darstellt, und nur durch innovative Zelldesigns mit 10- bis 20-facher Edelmetallreduktion bei gleichbleibender Lebensdauer erreicht werden kann.<\/p>\n
Die Umweltrelevanz des Vorhabens ergibt sich aus der dringenden Notwendigkeit, PFAS-haltige Materialien zu ersetzen. Diese “Ewigkeitschemikalien” reichern sich durch ihre extrem stabile Kohlenstoff-Fluor-Bindung in der Umwelt an, ihre Abbauprodukte stehen unter Verdacht krebserregend zu sein und Entwicklungssch\u00c3\u00a4den zu verursachen. Die EU hat entsprechend umfassende Verwendungsverbote ab 2025 bis 2030 angek\u00c3\u00bcndigt. Fluorfreie Kohlenwasserstoffpolymere wie sulfonierte Polyetheretherketon, Polyarylenethersulfon oder Polyphenylensulfid bieten nicht nur eine \u00c3\u00b6kologische Alternative mit bis zu 50 Prozent geringeren CO\u00e2\u201a\u201a-Emissionen, sondern auch eine kosteng\u00c3\u00bcnstigere Produktion ohne aufwendige Fluorchemie. Die zentrale Herausforderung liegt in der noch unzureichenden Betriebszeit von 500 bis 2000 Stunden im Vergleich zu \u00c3\u00bcber 6000 Stunden bei konventionellen PFSA-Systemen.<\/p>\n
Die praktische Bedeutung liegt in der \u00c3\u0153berwindung der L\u00c3\u00bccke zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung. Ohne die Etablierung gro\u00c3\u0178volumiger Fertigungsprozesse mit optimierten Materialien wird sich die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der PEM-Elektrolyse nicht erreichen lassen, wodurch Deutschland und Europa ihre wettbewerbsf\u00c3\u00a4hige Position bei dieser Schl\u00c3\u00bcsseltechnologie verlieren w\u00c3\u00bcrden. Das Vorhaben adressiert systematisch alle drei kritischen Dimensionen: Materialwissenschaft, Elektrochemie und Verfahrenstechnik.<\/p>\n
Das geplante Vorgehen umfasst ein kumulatives Promotionsvorhaben mit drei Ver\u00c3\u00b6ffentlichungen. Die erste Publikation werden Fertigungsverfahren f\u00c3\u00bcr Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) auf Basis von PFSA-freien kommerziell erh\u00c3\u00a4ltlichen Materialien entwickelt, wie der Direktdruck auf Membran, das Decal-Transfer-Verfahren sowie Transportelektroden im halbautomatischen Betrieb verglichen. Die zweite Ver\u00c3\u00b6ffentlichung widmet sich der Entwicklung von Katalysatorschichten mit ultra-niedrigen Katalysator Beladungen durch innovative Ans\u00c3\u00a4tze wie die Integration elektrisch leitf\u00c3\u00a4higer Additive als Grundger\u00c3\u00bcst, getr\u00c3\u00a4gerter Katalysatoren auf stabilen Oxidmaterialien sowie optimierter Grenzfl\u00c3\u00a4chen zwischen por\u00c3\u00b6ser Transportschicht und Katalysatorschicht. Die finale Publikation evaluiert die Langzeitstabilit\u00c3\u00a4t der vielversprechendsten Konzepte im Dauerbetrieb und mittels beschleunigter Alterungstests (AST).<\/p>\n
Die zur Anwendung kommenden Methoden kombinieren industrienahe Fertigung mit wissenschaftlicher Charakterisierung. Die ex situ Analyse umfasst Rasterelektronenmikroskopie, R\u00c3\u00b6ntgenfluoreszenz und optische Verfahren zur Strukturcharakterisierung. Die in situ Charakterisierung erfolgt in Einzelzell-Testst\u00c3\u00a4nden mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie, Polarisationskurven und ASTs zur Quantifizierung der Verlustmechanismen und des Degradationsverhaltens. Das Alleinstellungsmerkmal liegt im direkten Zugang zu industrierelevanten Produktionsanlagen, wodurch eine unmittelbare \u00c3\u0153bertragbarkeit der Forschungsergebnisse in die industrielle Praxis gew\u00c3\u00a4hrleistet wird.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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