Optimierung von Massentransport in proton exchange membrane (PEM) Elektrolyseuren zur Wasserstoffproduktion

In dem Vorhaben soll ein Forschungsnetzwerk zur Untersuchung von Transportlimitierung in Proton Exchange Membrane (PEM) Elektrolyseuren initiiert werden. PEM Elektrolyseure werden zur Wasserstoffherstellung verwendet. Um Produktionsziele, die z.B. für die Speicherung von grüner Energie notwendig sind, erreichen zu können, werden größere und effizientere Elektrolyseure benötigt. Limitierungen durch ineffizienten Transport der Stoffe durch Elektrolyseure ist hier ein Problem. Der Austausch zwischen zwei Instituten der McMaster University (Kanada) und zwei der Leibniz Universität Hannover (Deutschland) ist der Ausgangspunkt für eine gemeinsame Forschungsinitiative zur Untersuchung der Limitierungen und damit zur Erhöhung des Wirkungsgrads, der Kapazität und der Sicherheit von PEM Wasserelektrolyseuren. Limitierung entsteht insbesondere durch den Sauerstoff- und Wasserstoff-Transport an der Grenze zwischen zwei porösen Schichten der Elektrolyseure (Katalysator- und Transportschicht), wie bisherige Studien zeigen. Zum Aufbau einer größeren Forschungsinitiative werden numerische Modelle entwickelt und experimentell validiert, mit denen Zellaufbauten zur Überwindung der Limitierungen verbessert werden können. Die beiden relevanten Längenskalen werden durch unterschiedliche Modelle abgedeckt, die jeweils der Expertise der Universitäten entsprechen: die kanadische Seite wird ein Modell zur Gasnukleation auf der Mikrometerskala implementieren, während die deutsche Seite ein Modell zur Gasverteilung auf Zellebene (Größenordnung bis 10 Zentimetern) entwickeln wird. Zur experimentellen Validierung werden systematisch perforierte Materialien für die Transportschicht hergestellt, deren Performance wiederum durch elektrochemische (Polarisations-) Analyse untersucht werden wird. Zur Modellvalidierung, aber auch zur Bestimmung von Randbedingungen, sind außerdem operando Neutronenradiographien in Kanada geplant, mit denen die Gasverteilung in den Porenräumen visualisiert werden kan