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Funktionale Schichtsysteme
Über
Moderne, membranbasierte Wasserelektrolyseure bestehen aus einer komplexen Architektur funktionaler Schichten. Nanoporöse Katalysatorschichten werden durch eine dünne, ionenleitende Membran elektronisch isoliert. Das nur wenige Dutzend Mikrometer dicke Schichtsystem wird Membran-Elektroden-Einheit genannt. Angrenzende poröse Transportschichten dienen der Medienversorgung, der Wärmeregulierung, der elektronischen Kontaktierung und bestimmen die Zellmechanik mit. Die Forschungsgruppe ‚Funktionale Schichtsysteme‘ befasst sich mit Fragestellungen zu den physikalischen, chemischen, mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften dieser Schichten und ihren Interaktionen im Gesamtsystem. Hierzu werden neuartige Materialien zu Komponenten verarbeitet und mit innovativen experimentellen Methoden und Modellen untersucht und charakterisiert.
Forschungsthemen
- Entwicklung und Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten aus neuartigen Katalysatoren (>250 mg notwendig) und Ionomeren für diverse Anwendungen mittels Rakel und Ultraschall-Sprühsystem (1 – 600 cm²).
- Dynamisch-mechanische Analyse von Materialien und Komponenten (0,005 -3 cm Probendicke).
- Lokal-aufgelöste Messung (~0,1 cm²) elektronischer Schichtleitfähigkeiten von Heiß- und Kaltleitern sowie leitfähigen Kunststoffen.
- Entwicklung und Konstruktion automatisierter Elektrolyse-Teststände zur Messung von Polarisationskurven / Strom-Spannungs-Kennlinien, elektrochemischer Impedanzspektren, Wasserstoffpermeation etc.
- Kurz- und Langzeitmessungen von Vollzellen für die Anionen- und Protonen-Austausch-Membran (AEM / PEM) Wasserelektrolyse (1 – 25 cm²).
- Benchmarking, Harmonisierung und Standardisierung von elektrochemischen Messprotokollen in Zusammenarbeit mit weltweiten Forschungseinrichtungen.
- Experimentelle Untersuchung und Modellierung von Ladungs- und Stofftransporten durch das funktionale Schichtsystem von Wasserelektrolyseuren.
- Implementierung der Ergebnisse in skalenübergreifende, techno-ökonomische Gesamtsystemmodellen zur Evaluation möglicher Entwicklungspfade.
Veröffentlichungen
Carmo, M. et al.
PEM water electrolysis: Innovative approaches towards catalyst separation, recovery and recycling
International Journal of Hydrogen Energy, 44 (2019), 3450-3455
DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.12.030
Galkina, I. et al.
Stability of Ni–Fe-Layered Double Hydroxide Under Long-Term Operation in AEM Water Electrolysis
Small 20 (2024) 2311047
DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202311047
Lickert, T. et al.
Advances in benchmarking and round robin testing for PEM water electrolysis: Reference protocol and hardware
Applied Energy 352 (2023) 121898
DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.121898
Scheepers, F., & Lehnert, W.
Investigating the Applicability of the Tafel Equation in Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzers via Statistical Analysis
Energies 17 (2024) 3298
DOI: https://doi.org/10.3390/en17133298
Scheepers, F., Stähler, A., Stähler, M., Carmo, M., Lehnert, W., & Stolten, D.
Layer Formation from Polymer Carbon-Black Dispersions
Coatings, 8 (2018) 450
DOI: https://doi.org/10.3390/coatings8120450
Scheepers, F., Stähler, A., Stähler, M., Carmo, M., Lehnert, W., & Stolten, D.
Steering and in situ monitoring of drying phenomena during film fabrication
Journal of Coatings Technology and Research 16 (2019) 1213-1221
DOI: https://doi.org/10.1007/s11998-019-00206-5
Scheepers, F. et al.
Improving the Efficiency of PEM Electrolyzers through Membrane-Specific Pressure Optimization
Energies, 13 (2020) 612
DOI: https://doi.org/10.3390/en13030612
Scheepers, F. et al.
Temperature optimization for improving polymer electrolyte membrane-water electrolysis system efficiency
Applied Energy 283 (2021) 116270
DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.116270
Utsch, N. et al.
Innovative Method for Reliable Measurement of PEM Water Electrolyzer Component Resistances
Small Methods (2025) 2401842
DOI: https://doi.org/10.1002/smtd.202401842
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Letzte Änderung: 19.02.2025