FemtoPEM: Femtosekundenlaser-Strukturierung und Oberflächenfunktionalisierung zur Minimierung der elektrischen Kontakt-und Massentransportwiderstände bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer von Protonenaustauschmembran(PEM)-Wasserelektrolyseuren

Im Projekt sollen mithilfe einer neuentwickelten Oberflächenfunktionalisierung, bestehend aus einer Femtosekundenlaser-Strukturierung sowie einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) der porösen Transportschichten (PTL), die elektrischen Kontakt- und Massentransportwiderstände deutlich minimiert und die Lebensdauer der Protonenaustauschmembran(PEM)-Elektrolyseure gesteigert werden. Aufbauend auf bisherigen Vorarbeiten gilt es, die Laserstrukturierung und die PVD-Beschichtung titan-basierter PTL-Oberflächen zu optimieren. Diese Optimierung wird in experimentellen Laboraufbauten mithilfe innovativer elektrochemischer Charakterisierungsmethoden validiert. Auch sollen eine direkte, verfahrenstechnische Verknüpfung der Laserstrukturierung und der PVD-Beschichtung untersucht und für den Einsatz als poröse Transportelektrode (PTE) vorbereitet werden. Ergänzende physikalische Messmethoden und modelltheoretische Beschreibungen inklusive einer energetischen Analyse bilden die Basis für eine rasche Weiterentwicklung und Überführung in industrielle Prozessketten und Skalierungen. Ziel ist es, im Vergleich zu kommerziellen PTLs, welche derzeit nicht für PEM- Wasserelektrolyseanwendungen designt sind, die elektrischen Kontaktwiderstände um mindestens 40% sowie die Massentransportwiderstände um mindestens 55% zu senken und gleichzeitig die Lebensdauer zu erhöhen. Diese Optimierung soll qualitativ und quantitativ den spezifischen Überspannungen mitsamt den Schlüsselparametern zugeordnet werden. Darüber hinaus soll eine Überführung der neu entwickelten Schritte zur Oberflächenfunktionalisierung in Industrieprozesse vorbereitet werden. Die Wasserstoffgestehungskosten hängen zu ca. 70% von den Stromkosten ab und somit von der Umwandlungseffizienz des Elektrolyseurs. Daher führen die hier anvisierten Materialverbesserungen unmittelbar zu geringeren Kosten für die Produktion von (grünem) Wasserstoff und tragen so zu einer raschen Etablierung dieses Energieträgers am Markt bei.