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02. Feb 2017 // Anwendungsgebiete

Leitfähige Polymerkomposite als Materialien für die Elektrolyse

Eine Forschergruppe will den Einsatz von Polymerkompositen für die Elektrolyse möglich machen. In dem Zuge wollen sie auch Lackelektroden zur Elektrolyse von Seewasser entwickeln, um Biofouling zu verhindern.

Nadine Menzel am Elektrolyse-Teststand des Fraunhofer IMWS. Quelle: Fraunhofer IMWS/Sven Döring

Polymere sind leicht, einfach zu verarbeiten und haben eine hohe chemische Beständigkeit. Metalle sind robust und belastbar, zudem verfügen sie über eine variable thermische und elektrische Leitfähigkeit. Graphit zum Beispiel ist korrosionsbeständig und kann ebenfalls Strom leiten. Vereint man diese Werkstoffe sowie weitere Füllstoffe auf geschickte Weise, entsteht ein neuartiges Komposit-Material, das all diese Eigenschaften in sich vereint.

Wasserstoff erzeugen

Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser durch den Einsatz von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Mit diesem Verfahren kann beispielsweise Strom aus der stark fluktuierenden Wind- und Sonnenenergie genutzt werden, um Wasserstoff zu erzeugen – ein gefragter Rohstoff für die chemische Industrie, der zudem als Energiespeicher oder als umweltfreundlicher Treibstoff für Brennstoffzellenautos fungieren kann.

Verfahren leistungsfähiger machen

Die Elektrolyse spielt auch bei der Herstellung von Aluminium, Chlor oder Natronlauge eine wichtige Rolle, ebenso wie in der Galvanotechnik. All diesen Anwendungen gemein ist die hohe Belastung der eingesetzten Materialien im Hinblick auf ihre chemische und mechanische Stabilität sowie die elektrische und thermische Leitfähigkeit. "Neue Materialien für die Elektrolyse können das Verfahren leistungsfähiger und günstiger machen. Im Bereich der Wasserelektrolyse, aber auch für andere Anwendungen, bieten Polymerkomposite dabei große Chancen", sagt Dr. Nadine Menzel, die das Projekt am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS leitet.

Neuartige Bipolarplatten

So will die Nachwuchsgruppe neuartige Bipolarplatten aus leitfähigen Polymerkompositen für die PEM-Elektrolyse (PEM = Proton Exchange Membrane) fertigen. Die Methode ist eine Schlüsseltechnologie zur Erzeugung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien. Herzstück bildet der Stack (Stapel), der aus mehreren Bipolarplatten besteht. An diese Platten und andere Komponenten werden extreme Anforderungen gestellt – hohe Temperaturen, Drücke oder Spannungen sorgen für sehr korrosive Bedingungen, die den einzelnen Komponenten zusetzen. Üblicherweise werden Bipolarplatten deshalb aus Titan, Graphit, Stahl oder Edelstahl gefertigt, die Oberfläche zusätzlich mit einer Beschichtung aus Edelmetallen wie Gold oder Platin geschützt. Ein innovatives Polymermaterial, das den extremen Betriebsbedingungen gewachsen ist und die nötige Langzeitstabilität bietet, hätte enorme Vorteile bei den Materialkosten und im Herstellungsprozess.

Verzicht auf giftige Lacke

In einem weiteren Teilpaket wollen die Forscher Lackelektroden für die Elektrolyse von Seewasser entwickeln. Damit könnte der Bewuchs von Schiffsrümpfen mit marinen Organismen (Biofouling) verhindert werden, ohne dass giftige Lacke eingesetzt werden müssen. Weitere Ziele sind die Analyse elektrochemischer Korrosionsprozesse in Polymerkompositen und elektronischen Komponenten für die Elektrolyse sowie die Untersuchung der Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Systemen mit alkalischen Membran-Elektroden-Einheiten für Elektrolyseure und Brennstoffzellen.

Bücher

Korrosionsschutz durch Beschichtungen

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