Charakterisierung von Materialien und Komponenten für Membranelektrolyseure

Eine hohe Effizienz und Langlebigkeit von Elektrolyseuren sind unerlässlich für den Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft und die Erreichung der Klimaziele.

Wir charakterisieren in unseren Laboren alle wesentlichen Zellkomponenten und Materialien, insbesondere poröse Transportschichten (PTL) und Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) für die PEM- und AEM-Elektrolyse. Unser Fokus liegt hierbei auf dem Leistungs- und Alterungsverhalten in Abhängigkeit von relevanten Betriebsbedingungen wie Stromprofil, Temperatur und Druck. Dabei setzen wir eine Vielzahl von In-Situ- und Ex-Situ-Messmethoden nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft ein, um umfassende Einblicke und Erkenntnisse in die physikalisch-elektrochemischen Prozesse im Betrieb und zum Degradationsverhalten der Elektrolysezellen und -stacks zu erhalten.

Wir bieten eine einzigartige Kombination aus exzellenter Forschungsinfrastruktur, fundierten elektrochemischen Kenntnissen und industrierelevantem Anwendungsbezug. Entsprechend der Fragestellungen unserer Kundinnen und Kunden passen wir unsere Zellkomponenten wie Membran-Elektroden-Einheiten und poröse Transportschichten an, passgenau für die jeweilige Charakterisierungsaufgabe und darüber hinaus.

Ihr Nutzen:

Passgenau: Durch unsere langjährige Erfahrung in der In-Situ und Ex-Situ-Charakterisierung von Elektrolysekomponenten und -materialien beantworten wir selbst Ihre komplexesten Fragestellungen.

Innovativ: Unsere elektrochemischen Messmethoden nach Stand der Wissenschaft und Technik zeigen Ihnen Optimierungspotenziale für die Weiterentwicklung Ihrer Materialien und Komponenten auf.

Zuverlässig: Dank selbstentwickelter und vollautomatisierter Teststände, variabler Mess- und Charakterisierungsprotokolle sowie automatisierter Auswertung erhalten Sie Messungen mit einer hohen Reproduzierbarkeit und Vergleichbarkeit.

Fundiert: Unsere Charakterisierung untermauert Ihre Material- und Komponentenauswahl mit Daten und bietet dadurch eine wichtige Entscheidungsgrundlage für Investitionen.

Unsere Leistungen umfassen:

• In-Situ-Screening von Membran-Elektroden-Einheiten und Zellkomponenten
• Umfassende elektrochemische In-Situ-Charakterisierung von Membran-Elektroden-Einheiten und Zellkomponenten
• Vollautomatisierte In-situ-Charakterisierung von PEM-Elektrolysestacks
• Umfangreiche Ex-Situ-Charakterisierung von Materialien und Komponenten

Wir führen In-Situ-Charakterisierungen von Membran-Elektroden-Einheiten für die PEM- und AEM-Elektrolyse mit Hilfe von 4 cm²-Laborzellen durch. Dabei können wir auf ein vielfältiges Portfolio aus selbst entwickelten 4 cm²-Testzellen zurückgreifen, die auf verschiedene Anwendungsszenarien optimiert wurden. Die einfache Handhabung der Testzellen in Kombination mit unseren selbstentwickelten, vollautomatisierten Parallel-Testständen für den drucklosen Betrieb ermöglicht es uns, ein schnelles Screening einer großen Anzahl unterschiedlicher Membran-Elektroden-Einheiten durchzuführen. Die so gewonnenen Erkenntnisse können direkt auf die Produktion der Membran-Elektroden-Einheiten übertragen werden. Zudem gewinnen wir wichtige Einblicke in die Optimierung von Zellaufbauten, die sich auf die Charakterisierung in größeren Zellformaten und im Druckbetrieb übertragen lassen.

Das etablierte Zelldesign erlaubt darüber hinaus eine schnelle Anpassung auf weitere Zellkomponenten wie poröse Transportschichten und Coatings für Bipolarplatten. Somit können in schnellen und günstigen Screening-Versuchen große Mengen an belastbaren und reproduzierbaren Daten für einzelne Komponenten generiert werden.

Für umfangreiche und komplexe In-Situ Charakterisierungen in der PEM- und AEM-Elektrolyse setzen wir auf unsere 25-cm²-Laborzellen. Mit Hilfe druckfester Einzelzellteststände können wir vollautomatisiert große Parametersets mit verschiedenen Drücken bis zu 50 bar, Temperaturen bis zu 120 °C und elektrochemischen Alterungsprotokollen bis zu 1000 A anwenden. Unsere selbstentwickelte Hardware bietet Ihnen dabei eine große Flexibilität hinsichtlich des Zellaufbaus und der Betriebsbedingungen.

Elektrochemische Analysemethoden wie Zyklovoltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie werden standardmäßig an allen Testständen eingesetzt. Darüber hinaus bieten wir verschiedene weitere Methoden wie die Produktgasanalyse (H₂ in O₂, O₂ in H₂) mittels Wärmeleitfähigkeitsdetektor und Gaschromatographie sowie Wasseranalysen mittels ICP-Massenspektroskopie und Ionenchromatographie an.

Ergänzend verfügen wir über das langjährige Know-how und die entsprechende Hardware zur ortsaufgelösten Messung von PEM-Elektrolysezellen mittels einer 60 cm²-Along-the-Channel-Laborzelle.

Wir bieten ausgedehnte und umfassende In-Situ Charakterisierungen von Shortstacks für die PEM-Elektrolyse an. Auf Basis unseres am Institut entwickelten Shortstack-Teststands können wir vollautomatisiert und flexibel große Parametersets wie verschiedene Drücke, Temperaturen und elektrochemische Alterungsprotokolle untersuchen. Mit unserer Hardware können Stromstärken bis zu 1500 A, Spannungen bis zu 25 V, Drücke bis zu 50 bar und Betriebstemperaturen bis 80 °C erreicht werden. Die interne Kühlkapazität beträgt dabei 15 kW.

Als Ergänzung der elektrochemischen Charakterisierung bieten wir verschiedene weitere Methoden wie die Produktgasanalyse (H₂ in O₂, O₂ in H₂) mittels Wärmeleitdetektor und Gaschromatographie sowie Wasseranalysen mittels ICP-Massenspektroskopie und Ionenchromatographie an.

Neben der ausführlichen elektrochemischen In-Situ Charakterisierung in Elektrolyse-Vollzellen bieten wir umfangreiche Leistungen zur Ex-Situ-Charakterisierung von Materialien und Komponenten an. Ein Fokus liegt dabei auf der Charakterisierung von porösen Transportschichten (PTL) für die Elektrolyse. Wir bieten verschiedene fluidische Untersuchungen, wie Porosimetrie und In-Plane- und Through-Plane-Permeabilitätsmessungen in einphasigen und zweiphasigen Strömungen an. Damit können wir unter anderem spezifische Charakteristika von porösen Materialien, wie Druckverlust und Strömungsregime, unter gleichzeitiger Durchströmung mit Gas und Flüssigkeit bestimmen. Zusätzlich verfügen wir über eine große Bandbreite an weiteren Messverfahren, um zusätzliche Eigenschaften der Materialien und Komponenten präzise zu bestimmen. Diese umfassen unter anderem:

• Rasterelektronenmikroskopie (FIB-SEM, SEM-EDX)
• Micro-Computertomographie (µCT)
• Flüssigkeitsanalyse (ICP-MS; Ionenchromatographie)
• Optische Mikroskopie (CLSM)
• Röntgenfloureszenzanalyse und - spektroskopie (XRF, XRD, NAP-XPS)
• Korrosions- und Kontaktwiderstandsmessungen