Multi-funktionale Materialien für die Wasserstoff-Technologie

Querschnitt einer asymmetrischen Matrimid-Membran auf Basis der sogenannten „Phaseninversion“

Im Bereich der Materialien für die Wasserstoff-Technologie (Wasserstoff-Gewinnung aus regenerativen Quellen oder aus Erdgas, Speicherung, Anwendung in Brennstoffzellen) sehen wir vor allem die folgenden Herausforderungen:

Die kostengünstige Massenproduktion von Wasserstoff aus regenerativen und fossilen Quellen erfordert die Entwicklung effektiver Abtrenn- und Aufbereitungsverfahren für Wasserstoff mit geringstem Energieaufwand.

Für die Wasserstoffspeicherung sind die größten Nachteile leichter Metallhydride ihre hohen Desorptionstemperaturen und ihre schlechte Reaktionskinetik, die lange Ladezeiten und ungenügende Speicherdichten mit sich bringen.

Bei den PEM-Brennstoffzellen ist die niedrige Protonenleitfähigkeit der derzeit verfügbaren Membranen bei Temperaturen zwischen 130 und 160°C und niedriger Luftfeuchtigkeit eine erhebliche Schwierigkeit; dies sind aber die Bedingungen, die für Anwendungen in Kraftfahrzeugen und viele stationäre Anwendungen vorliegen.

Um die Wasserstoff-Technologie zu etablieren, müssen zahlreiche Hindernisse überwunden werden. Damit ausreichend Wasserstoff zur Verfügung steht, brauchen wir effektive und saubere Verfahren zur Wasserstoffgewinnung. Als unmittelbare Reaktion auf diese Problemstellung haben wir unsere Aktivitäten vor allem auf drei Bereiche konzentriert:

Membranen zur Wasserstoff-Erzeugung, -Abtrennung und damit verbundene Verfahren

Membranen für Brennstoffzellen

Wasserstoff-Speichermaterialien

Tank zum Speichern von Wasserstoff, basierend auf 8 kg Natrium-Alanat als Speichermaterial, entwickelt und gebaut im Rahmen von GKSS im Rahmen des STORHY-Projektes

Die effektive und kompakte Speicherung von Wasserstoff spielt für die Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Technologie eine äußerst wichtige Rolle. Deshalb arbeiten wir an der Entwicklung nanokristalliner leichter Metallhydride und reaktiver Hydrid-Komposite mit hohen Kapazitäten für die reversible Speicherung von Wasserstoff, die ein schnelles Freisetzen und erneutes Beladen mit Wasserstoff ermöglichen.

Um geeignete Pulver zu vermischen und eine optimale nanokristalline Struktur zu erzielen, setzen wir das Verfahren des Hochenergie-Kugelmahlens ein. Wir untersuchen z. B. mittels spektroskopischer in-situ-Methoden die Oberflächenreaktionen von Metallen/Metallhydriden und Wasserstoff, um zu einem grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis der Mechanismen zu gelangen, die zu einer optimierten Dissoziation, Diffusion, Aufnahme und Freisetzung von Wasserstoff führen.

Wir beschreiben die Wasserstoffreaktion bei nanokristallinen leichten Metallhydriden in Abhängigkeit von Defektdichte und Oberfläche. Darüber hinaus bewerten wir neue Reaktionen zur Freisetzung von Wasserstoff und ihre Umkehrbarkeit im Hinblick auf deren technische Anwendung. Unser Ziel ist die Entwicklung eines Tankprototyps für Metallhydride.

Unterstützt wurde und wird diese Tätigkeit von den EU-Projekten STORHY und NESSHY, von den Marie Curie Forschungs- und Trainings-Netzwerken HYTRAIN und COSY und insbesondere von der Helmholtz-Initiative „FUNCHY: Funktionale Materialien für mobile Wasserstoffspeicher“. Im Rahmen dieser Initiative arbeiten die deutschen Helmholtz-Zentren GKSS und das Forschungszentrum Karlsruhe, das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Deutschland), die Freie Universität Amsterdam (Niederlande) und die Empa (Dübendorf, Schweiz) eng an der Optimierung verschiedener Werkstoffe zusammen. Ziel sind optimierte Wasserstoff-Speichermaterialien, die eine Wasserstoffspeicherkapazität über 5 Gew.-% sowie bei Arbeitstemperaturen unter 150°C und Umgebungsdruck eine Be- und Entladekinetik aufweisen, die für mobile Anwendungen geeignet ist.

Kontakt

Nach oben