GIRAFFE – PFAS-freie Elektrolyte für PEM-Brennstoffzellen

Derzeit werden für Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen, wie sie in der Mobilität eingesetzt werden, Membranen benötigt, die typischerweise PFSA, eine Art von PFAS, enthalten. Im Projekt »GIRAFFE« (Generic Investigation Regarding Alternative Fluorine-Free Electrolytes for Fuel Cells) werden kommerziell verfügbare PFAS-freie und PFAS-arme Materialien untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Kohlenwasserstoff-Polymeren als Alternativen liegt. Diese Materialien sind umweltverträglich und könnten Vorteile hinsichtlich Kosten und Funktion bieten. Ziel ist es, den Technologie-Reifegrad dieser Materialien zu bewerten.

Das Kernelement der Brennstoffzellen-Technologien ist die katalysatorbeschichtete Membran (Catalyst Coated Membrane, CCM): eine Polymerelektrolytmembran (PEM) mit Katalysatorschichten auf beiden Seiten. Das Polymermaterial und das Ionomer in den Schichten enthalten typischerweise PFSA (Perfluorsulfonsäuren), eine Art von PFAS-Verbindung.

Aus Gründen der Nachhaltigkeit und nachdem in der EU ein Verbot von PFAS-Materialien diskutiert wird, ist es wichtig, alternative Materialien für Brennstoffzellen zu identifizieren und zu entwickeln. In Zusammenarbeit mit Hahn-Schickard, der Hochschule Kempten und Ionysis testet und bewertet das Fraunhofer ISE weltweit verfügbare alternative Materialien auf ihre Eignung für den Einsatz in mobilen Brennstoffzellen. Damit soll der aktuelle Stand der Technik validiert und vielversprechende Materialien für die weitere Forschung und Entwicklung identifiziert werden.

Projektziele:

• Erforschung und Beschaffung von verfügbaren Kohlenwasserstoff-Ionomeren und Membranen für Brennstoffzellen
• Entwicklung von Herstellungsverfahren für katalysatorbeschichtete Membranen (CCMs) und Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) im Labormaßstab
• Charakterisierung von kohlenwasserstoffbasierten CCMs und MEAs in Brennstoffzellen im Vergleich zu PFSA-basierten Referenzmaterialien
• Ex-situ-Analyse der Mikrostrukturen, um Einblicke in die Materialien zu gewinnen und Verbesserungspotenziale für die Material- und Produktionsprozesse zu identifizieren
• Entwicklung von Modellen zur Vorhersage von Leistungs- und Alterungsverhalten, um die Optimierung von Betriebsstrategien und Komponenten-Eigenschaften zu unterstützen

Forschungsfragen:

• Welche kohlenwasserstoffbasierten Materialien eignen sich als Ersatz für die derzeit etablierten PFAS-Materialien in der Brennstoffzellen-CCM mit ähnlichen Leistungs- und Alterungseigenschaften?
• Wie können die neuen Materialien experimentell validiert werden?
• Wie müssen die Produktionsprozesse geändert werden, um Kohlenwasserstoff-CCMs zu verarbeiten?

Im Projekt GIRAFFE konzentriert sich das Fraunhofer ISE auf die Implementierung relevanter Produktionstechnologien für alternative fluorfreie Materialien und Komponenten im Labormaßstab. Umfangreiche Analysen (In-situ und Ex-situ) klären das Zusammenspiel zwischen der Zusammensetzung der Komponenten, den Materialstrukturen und dem Betriebsverhalten. Ein weiteres Arbeitspaket befasst sich mit der Skalierung vom Labormaßstab auf die industrielle Rolle-zu-Rolle (R2R) Produktion. MEAs werden in Kurzstapeln getestet, um den Skalierungsprozess zu validieren und so den Technologie-Reifegrad der Materialien zu verbessern. Die Modellierung gibt Aufschluss über die Beziehung zwischen Komponenteneigenschaften und Betriebsverhalten, was die zukünftige Verbesserung vielversprechender Materialien und Prozesse ermöglicht und weitere Forschungs- und Entwicklungsbedarfe identifiziert.