// Faserverstärkte Membran

Worum geht es?

Die Membran ist Teil jedes Stacks und trennt die beiden Halbzellen (H2/O2-Seiten). Sie muss daher gasdicht sein und dennoch OH--Ionen von der Kathode zur Anode leiten.

Was soll erreicht werden?

Für einen effizienten Elektrolysebetrieb soll der ohmsche Widerstand der Membran reduziert werden, was durch eine gute Ionenleitfähigkeit bei reduzierter Membrandicke erreicht werden kann. Bei reduzierter Dicke erhöht sich jedoch auch die Fragilität der Membran. Durch den Einbau von verstärkenden Vliesstoffen in die Membran soll dieses Defizit kompensiert und die mechanische Belastbarkeit verbessert werden. In einem weiteren Ansatzpunkt soll – auch zu Montagezwecken - ein Stützring am Umfang helfen, die Membran weiter zu stabilisieren und die Abdichtung zum Zellrahmen zu verbessern.

Wie funktioniert es?

Zentrifugenspinnen an den DITF Quelle: DITF

Feinstfaservliese können an den DITF beispielsweise durch Zentrifugenspinnen oder durch das Meltblow-Verfahren hergestellt werden. So können schmelzbare und/oder lösliche Polymere verarbeitet werden. Die Membranen selbst werden ebenfalls aus Lösung verarbeitet und auf die präparierten Vliese aufgerakelt (doctor blading). Durch Abdampfen des Lösemittels oder durch Ausfällen der Polymerschicht wird der Prozess zur Herstellung einer faserverstärkten Membran abgeschlossen.

Welche Anforderungen müssen erfüllt werden?

Beständigkeit bei 24 wt.-% KOH Lösungen bei Temperaturen von 80 bis 100 °C und einer Druckbelastung von bis zu 30 bar – das sind die an die Membranen gestellten Anforderungen. Außerdem sollen die Membranen möglichst dünn sein, die Gasräume zuverlässig trennen, Ionen leiten und günstig in Produktion und Montage sein.

Wie weit ist die Technologie auf dem Markt?

Grundsätzlich sind Membranen und Diaphragmen auf dem Markt verfügbar. Eine auf Feinstfaservliese gestützte Technologie gibt es jedoch noch nicht.

Welche konkreten Beispiele gibt es bereits auf dem Markt?

Agfa bietet Zirfondiaphrgma und Fumatec verschiedene Membranlösungen auf Polybenzimidazolbasis an.

Welcher F&E-Lösungsansatz wird verfolgt?

Die Forschungsarbeiten an den DITF konzentrieren sich auf die Herstellung von Vliesstoffen und deren Einbettung in die Membranen sowie die Entwicklung eines Stützringes. Um die mechanischen Eigenschaften der Vliese auf die Membran zu übertragen, ist eine starke Fasermatrixhaftung nötig.

Wie wird die Entwicklung qualifiziert? Welche Testmethode wird eingesetzt?

Chemische Modifizierungen der thermoplastischen Materialien werden mittels Kernspinresonanz- oder Infrarotspektroskopie untersucht. Vlies- und Membranmaterialien können mittels Rasterelektronenmikroskopie und Zugversuchen untersucht werden. Außerdem werden die Leitfähigkeiten der Membranen über elektronische Impedanzspektroskopie bestimmt.

Was wurde im Projekt schon erreicht?

PEEK-Vlies in PBI-Matrix Quelle: DITF

Im Projekt konnten bereits einige funktionierende Membranen hergestellt werden. Dabei kamen Vliese aus Polyetheretherketon und Polyacrylnitril zum Einsatz. Als Membranmaterialien wurden Polybenzimidazol und Polyethersulfon eingesetzt.

Was kann die Industrie dazu beisteuern?

Die Industrie (z.B. Fumatec) kann die genauen Eigenschaften und die nötigen Anforderungen spezifizieren. Die Möglichkeiten und Anforderungen einer kommerziellen Produktion im Vergleich zum Labormaßstab können diskutiert werden, wodurch der Transfer vom Labormaßstab in größere Produktionen erleichtert wird. Speziell können das zum Beispiel die einsetzbaren bzw. nicht einsetzbaren Chemikalien oder Produktionsgeschwindigkeiten sein.