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Nominierung zum Otto von Guericke-Preis 2021: Stromverteiler in Elektrolysezellen aus Spezialpapier

Die Papiertechnische Stiftung in Heidenau (PTS), das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung in Dresden (IFAM) und das Zentrum für Brennstoffzellen- Technik GmbH in Duisburg (ZBT) haben es mit Ihrem Beitrag „Entwicklung poröser papiertechnisch hergestellter Titan- Stromverteiler für die PEM-Elektrolyse“ bis ins Finale für den Otto von Guericke Preis 2021 geschafft. Die Präsentation des Themas sowie die Ehrung des Gewinners wird voraussichtlich im Dezember 2021 in Berlin stattfinden.

Die Projektleiter aus den drei Forschungsstellen haben mit ihrer hervorragenden interdisziplinären Arbeitsweise im besonderen Maße dazu beigetragen drei Fachgebiete zusammenzuführen und die Grundlage für eine neuartige Membran- Elektrodeneinheit für die Brennstoffzellen- und Elektrolysetechnik geschaffen. Thema des von der Industriellen Gemeinschaftsförderung geförderten Projektes ist es die großtechnische Verbreitung der Wasser-Elektrolyse u. a. kostengünstiger zu gestalten. Eine Kostensenkung kann nur über günstigere Fertigungsverfahren, eine Erhöhung des Wirkungsgrades oder der Langzeitstabilität erzielt werden.

Im Projekt stand der Fokus auf den sogenannten PEM-Elektrolysezellen. In der aufgeführten Kostenverteilung einer PEMElektrolysezelle machen die Stromverteiler den dominierenden Anteil aus. Um die Investitionskosten von PEM-Elektrolysezellen zu senken, wurde daher in diesem wVorhaben erfolgreich die Idee verfolgt, metallische sinterfähige Papiere auf Basis von Titan für den Einsatz als Stromverteiler in der PEM-Elektrolyse zu entwickeln. Nachteile der konventionellen Stromverteiler liegen in den sehr hohen Herstellungskosten (Gewebe), der hohen Anisotropie und zu geringer Oberfläche (Vliese), einer hohen Materialstärke verbunden verbunden mit hohen Herstellungskosten (Sinterkörper) sowie generell teils zu großen Toleranzen.

Abb. 1: REM-Querschnitt eines mit Titan gefüllten Spezialpapieres

 

Mit Hilfe hochgefüllter Spezialpapiere sollte es möglich sein, die oben genannten Probleme zu lösen. Dabei wird der Füllstoffanteil in einem Papier dergestalt drastisch erhöht, so dass das Papier in seinem Eigenschaftsprofil statt von der Faser nun von der durch den Füllstoff repräsentierten Funktionalität geprägt wird. (siehe Abb. 1).

Die feinen in der Cellulosematrix eingebundenen Metallpulver werden durch Pyrolyse oder Oxidation thermisch vorbehandelt. Nach anschließender Sinterung werden dünne poröse, rein metallische Formkörper erhalten (siehe Abb. 2).

Abb. 2: Gesinterter Titan-Stromverteiler Im Rahmen des vorliegenden

Forschungsprojektes konnten verschiedene papierabgeleitete Stromverteiler aus Titan gefertigt werden. Die Titan-Stromverteiler wurden dann hinsichtlich der Performance während der Elektrolyse untersucht. Als Ergebnis des Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass eine optimale Mikrostruktur hinsichtlich Porosität und Porengröße entscheidend für die Arbeitsweise des Elektrolyseurs ist. Schlussendlich wurden Stromverteiler entwickelt, welche vergleichbar mit einer Referenz sind.

Mit dem Otto von Guericke-Preis zeichnet die AiF das IGF-Projekt des Jahres aus. Er wird seit 1997 vergeben und ist mit 10.000 Euro dotiert. Mit dem Preis würdigt die AiF Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler für herausragende Leistungen auf dem Gebiet der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF).

Dr. Cornell Wüstner,

cornell.wuestner@ptspaper.de