Multi-funktionale Materialien für die Wasserstoff-Technologie

Querschnitt einer asymmetrischen Matrimid-Membran auf Basis der sogenannten „Phaseninversion“

Im Bereich der Materialien für die Wasserstoff-Technologie (Wasserstoff-Gewinnung aus regenerativen Quellen wie auch durch Abtrennung aus Erdgas, Speicherung, Anwendung in Brennstoffzellen) sehen wir vor allem die folgenden Herausforderungen:

Die kostengünstige Massenproduktion von Wasserstoff aus regenerativen und fossilen Quellen erfordert die Entwicklung effektiver Abtrenn- und Aufbereitungsverfahren für Wasserstoff mit geringstem Energieaufwand.

Für die Wasserstoffspeicherung bieten Metallhydride viele Vorteile. Insbesondere in Hinblick auf mobilen Anwendungen sind leichte Tanks notwenig. Hier müssen die hohen Desorptionstemperaturen gesenkt und die träge Reaktionskinetik erhöht werden, um höhere Effizienz und kurze Ladezeiten zu erzielen.

PEM-Brennstoffzellen werden für Kraftfahrzeuge und viele stationäre Anwendungen favorisiert. Für hohe Wirkungsgrade und Leistungsdichten muss die niedrige Protonenleitfähigkeit der derzeit verfügbaren Membranen bei Temperaturen über 100°C und niedriger Feuchtigkeit gesteigert werden.

Um die Wasserstoff-Technologie zu etablieren, müssen die einzelnen Komponenten erforscht und weiter entwickelt werden und schließlich in einem Gesamtkonzept optimal aufeinander abgestimmt sein. Als unmittelbare Reaktion auf diese Problemstellung haben wir unsere Aktivitäten vor allem auf drei Bereiche konzentriert:

Membranen zur Wasserstoff-Erzeugung, -Abtrennung und damit verbundene Verfahren

In diesem Bereich entwickeln wir neue und verbesserte Membranen zur Wasserstofftrennung und zur CO₂-Abtrennung auf Basis polymerer Materialien (wie z. B. Matrimid) und neuer organisch-anorganischer Verbundmaterialien sowie Membranen, denen alternative Transportmechanismen zugrunde liegen. Neue Membranen werden z.B. im Rahmen der Helmholtz-Allianz MEM-BRAIN entwickelt.

Im Rahmen des EU-Projektes "Solhydromics" werden protonen- und elektronenleitende Membranen für die Generierung von Wasserstoff durch künstliche Photosynthese untersucht. Die Protonenleitfähigkeit der Kompositmembranen, die im Rahmen des Projektes entwickelt wurden, liegt im Bereich von 10^-2 bis 10^-1 S/cm, und entspricht damit Werten, die für die zukünftige Solhydromics-Vorrichtung benötigt werden.

Membranen für Brennstoffzellen

Mit der Entwicklung neuartiger Membranen unterstützen wir die Etablierung von Brennstoffzellen auf Wasserstoffbasis (PEM FC, Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen) als eine wettbewerbsfähige Technologie zur Energieumwandlung in Kraftfahrzeugen und mobilen Anwendungen.

Dabei entwickeln wir Membranen für PEM FC, die bei Temperaturen über 100°C und niedriger Membranfeuchtigkeit eingesetzt werden können. Hier müssen vor allem Probleme mit dem Wassertransport und dem Zulaufen der Kathode mit Wasser (Flooding) gelöst werden. Daher entwickeln wir neuartige protonenleitfähige Materialien auf Polymerbasis und organisch-anorganische Verbundmaterialien (sulfonierte Polymere mit funktionalisiertem Silicium, Phosphate, neue organisch-anorganische Gerüststrukturen etc.) sowie neue Strukturschichten für Membran-Elektrode-Anordnungen.

In diesem Bereich koordinierte das Helmholtz-Zentrum Geesthacht das in Zusammenarbeit mit drei deutschen Universitäten (Ulm, Kiel und Hamburg-Harburg), sowie den Helmholtz-Zentren DESY und FZJ betriebene virtuelle Institut "Asymmetric Structures for Polymeric Electrolyte Fuel Cell (Asymmetrische Strukturen für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen)". Die Ausbildungstätigkeit wurde durch das Marie-Curie-Programm (Euromembranes) unterstützt. Die Entwicklung von neuen Membranen für die Brennstoffzelle auf der Basis von Polyoxadiazolen und Polytriazolen wird in Kooperation mit mit dem National Research Council (NRC) of Canada in einem HGF-NRC-geförderten Projekt betrieben.

Wasserstoff-Speichermaterialien

Tank zum Speichern von Wasserstoff, basierend auf 8 kg Natrium-Alanat als Speichermaterial, entwickelt und gebaut im Rahmen vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht im Rahmen des STORHY-Projektes

Die effektive und kompakte Speicherung von Wasserstoff spielt für die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie eine äußerst wichtige Rolle. Deshalb arbeiten wir an der Entwicklung nanokristalliner leichter Metallhydride und reaktiver Hydrid-Komposite mit hohen Kapazitäten für die reversible Speicherung von Wasserstoff, die ein schnelles Freisetzen und erneutes Beladen mit Wasserstoff ermöglichen.

Um geeignete Pulver zu vermischen und eine optimale nanokristalline Struktur zu erzielen, setzen wir das Verfahren des Hochenergie-Kugelmahlens ein. Wir untersuchen z. B. mittels spektroskopischer in-situ-Methoden die Oberflächenreaktionen von Metallen/Metallhydriden und Wasserstoff, um zu einem grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis der Mechanismen zu gelangen, die zu einer optimierten Dissoziation, Diffusion, Aufnahme und Freisetzung von Wasserstoff führen.

Wir beschreiben die Wasserstoffreaktion bei nanokristallinen leichten Metallhydriden in Abhängigkeit von Defektdichte und Oberfläche. Darüber hinaus bewerten wir neue Reaktionen zur Freisetzung von Wasserstoff und ihre Umkehrbarkeit im Hinblick auf deren technische Anwendung. Unser Ziel ist die Entwicklung eines Tankprototyps für Metallhydride.

Unterstützt wurde und wird diese Tätigkeit von den EU-Projekten STORHY, NESSHY und FLYHY (Koordination Helmholtz-Zentrum Geesthacht), von den Marie Curie Forschungs- und Trainings-Netzwerken HYTRAIN und COSY (Koordination Helmholtz-Zentrum Geesthacht)und insbesondere von der Helmholtz-Initiative „FuncHy: Funktionale Materialien für mobile Wasserstoffspeicher“. Im Rahmen dieser vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht koordinierten Initiative arbeiten die deutschen Helmholtz-Zentren Helmholtz-Zentrum Geesthacht und das Karlsruher Institut für Technologie, das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Deutschland), die Freie Universität Amsterdam (Niederlande) und die Empa (Dübendorf, Schweiz) eng an der Optimierung verschiedener Werkstoffe zusammen. Ziel sind optimierte Wasserstoff-Speichermaterialien, die eine Wasserstoffspeicherkapazität über 5 Gew.-% sowie bei Arbeitstemperaturen unter 150°C und Umgebungsdruck eine Be- und Entladekinetik aufweisen, die für mobile Anwendungen geeignet ist.