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

In FemtoPEM soll 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 sowie die Lebensdauer der Protonenaustauschmembran(PEM)-Wasserelektrolyseure gesteigert werden. Aufbauend auf „proof-of-concept“-Vorarbeiten gilt es, die Laserstrukturierung und die PVDBeschichtung der auf Titan-basierten PTL-Oberflächen zu optimieren. Diese Optimierung wird in experimentellen Elektrolyse-Versuchen im Labormaßstab mithilfe von weiterentwickelten elektrochemischen Charakterisierungsmethoden validiert. Darüber hinaus soll 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 schnelle Weiterentwicklung und die anvisierte Überführung in die Industrie. Ziel ist es, 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 Oberflächenfunktionalisierung in industrierelevante Prozesse vorbereitet werden.

Die Wasserstoffgestehungskosten hängen zu ca. 70% von den Stromkosten ab und somit von der Umwandlungseffizienz des Elektrolyseurs. Daher führen die anvisierten Materialverbesserungen unmittelbar zu geringeren Produktionskosten grünen Wasserstoffs und tragen zu einer günstigeren und nachhaltigeren Etablierung eines chemischen Energieträgers sowie zu einer erfolgreichen Energiewende bei.