Neuartige Konzepte für ein kontrolliertes 3D-Design poröser Gasdiffusionselektroden

Poröse Gasdiffusionselektroden werden in vielen elektrochemischen Systemen verwendet, u. a. in Niedertemperaturbrennstoffzellen und Membranelektrolyseuren. Eine ideale Elektrodenstruktur für entsprechende Anwendungen verbindet eine verbesserte Zugänglichkeit der aktiven Metallzentren mit einem guten Kontakt zwischen den ionen- und elektronenleitenden Bestandteilen. Die Optimierung dieser Parameter spielt eine wichtige Rolle für die signifikante Verbesserung sowohl der Leistungsfähigkeit als auch der Lebensdauer solcher Elektroden. Bislang konzentrierten sich die meisten Designstrategien auf die Optimierung des Katalysators. Nur wenige Konzepte befassen sich mit der kontrollierten Herstellung und gezielten Verbesserung poröser Gasdiffusionselektroden, obwohl gerade in diesem Bereich angesiedelte Projekte zu signifikanten Leistungssteigerungen sowie einer entscheidenden Kostenreduktion führen können.In unserem Projekt werden zwei verschiedene Wege beschritten; zum einen sollen neuartige Materialien eingesetzt werden, die gezielt protonenleitende und elektronenleitende Eigenschaften in einer hybriden Struktur miteinander verbinden. Dabei ist es vorallem wichtig, durch interdisziplinäre Zusammenarbeiten unkonventionelle neue Ansätze zu wählen, welche die bisher gängige Sandwich-Struktur der Membran-Elektroden-Einheit durchbrechen und potentiell ablösen können. Als ein Beispiel dafür sei die Verwendung 1-dimensionaler Trägermaterialien in einer horizontalen Schichtstruktur genannt. Zum anderen soll über die gezielte vertikale Nernetzung eine systematische 3D-Strukturierung erreicht werden, was zu einer völlig neuen Porenstruktur und Porenverteilung in den Elektroden beiträgt. Eine Kombination beider Strategien ist ebenfalls denkbar und könnte neben Brennstoffzellen und Membranelektrolyseuren in abgewandelter Form auch in anderen energie-relevanten Systemen Anwendung finden.