Membranen

Anwendung von Membranen in automobilen Brennstoffzellenbefeuchtern – Leistung, Stabilität, Schadgastoleranz

Membranbefeuchter spielen in der Brennstoffzelle als externe Komponente eine wichtige Rolle für das Wassermanagement. Im Projekt AMBITION wurde eine umfangreiche Infrastruktur und das notwendige Know-how aufgebaut, um Befeuchtermembranen umfassend zu charakterisieren. So kann mittlerweile der Wassertransfer von Hohlfaser- und Flachmembranen automatisiert (24/7) bestimmt werden und es stehen Tools für die rationale Membranauswahl zur Verfügung.

Innovative Verfahrenskombination zum Downstream Processing von Biobutanol

Für fermentativ hergestellte Kraftstoffe der zweiten Generation wie Butanol ist das Downstream Processing ein energie- und damit kostenintensiver Schritt. Durch den kombinierten Einsatz eines optimierten Gasstrippings und eines osmosegetriebenen Membranverfahrens wurde ein Prozess entwickelt, der eine Entwässerung des Produktstromes mit deutlich verringertem Energieaufwand erlaubt. Dazu wurden am IGB maßgeschneiderte TFC‑Flachmembranen für die Vorwärtsosmose entwickelt.

Fluor-freie Befeuchtermembran und innovatives Membranwickelelement für die Kathodenluftbefeuchtung in PEM-Brennstoffzellen

Ein wesentlicher Faktor für die Leistung und Langzeitstabilität von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Brennstoffzellen ist das Wassermanagement in der Brennstoffzelle. Der (Kathoden-) Luftbefeuchter spielt dabei eine zentrale Rolle. Im Rahmen des Vorhabens sollen am IGB insbesondere neuartige Fluor-freie Flachmembranen entwickelt und validiert werden.

Entwicklung einer Offshore-Plattform mit Wind- und Wellenenergie sowie der Gewinnung von Wasserstoff für verschiedene Anwendungsgebiete

Ziel ist die Entwicklung einer Offshore-Plattform, die die Gewinnung von Wind- und Wellenenergie erlaubt und diese Energie vor Ort für verschiedene Anwendungen nutzt. Dazu gehört neben einer Fischfarm auch die Umwandlung der Energie in Wasserstoff, der als Energieträger gespeichert und transportiert werden kann. Im Teilprojekt Meerwasserentsalzung wird das IGB Umkehrosmose-Membranen mit verbessertem Foulingverhalten bereitstellen.

Autarke Offshore-H₂-Elektrolyse

Ziel des Verbundprojekt H₂Wind ist die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für die weltweit erste, direkte Offshore-Wasserstoffproduktion zu erarbeiten. Dazu werden u.a. Ionomermembranen für die Elektrolyse entwickelt. Neben den elektrochemischen Anforderungen müssen die Membranen auch die notwendige Gasreinheit sicherstellen, d.h. der Crossover von Wasserstoff bzw. Sauerstoff muss minimiert werden. Dazu wird die am IGB vorhandene Infrastruktur zur Bestimmung der Gaspermeation bei hohen Drücken weiter ausgebaut.

Entwicklung von neuartigen Hochleistungsmembranen für die Filtration

Die Abwasserbehandlung ist ein sehr aktueller Gegenstand der Entwicklungen im Bereich der Wasserreinigungstechnologie. In konventionellen kommunalen Kläranlagen werden üblicherweise die Prozesse der Sammlung, der Behandlung und der Entsorgung durchlaufen und diese sind mit einem hohen Energieverbrauch und hohen Investitionskosten verbunden. In niedrig besiedelten Gebieten kann die dezentrale Abwasserbehandlung von Vorteil sein.

Hochintegriertes Kathodensubsystem: Entwicklung und Herstellung eines hoch integrierten Luftaufbereitungsmoduls für den Einsatz in automobilen Hochleistungs-PEFC mit serientauglichen Fertigungstechnologien zur Realisierung automobiler Leistungs- und Kostenziele

Das Management des entstehenden Wassers spielte für die Leistung und Lebensdauer einer Brennstoffzelle eine wichtige Rolle. Membranbefeuchter können hierfür als externe Komponente genutzt werden, um die Ionomermembran in der Brennstoffzelle jederzeit vor Austrocknung zu schützen.

Mithilfe eines eigens dafür entwickelten Plasmaprozesses ist die Herstellung von Hohlfasermembranen für eine einstufige Dialyse möglich. Die Hohlfasern werden so funktionalisiert, dass die empfindlichen Blutzellen ungehindert durch die unmodifizierten Lumen der Hohlfasern gewaschen werden. Das Blutplasma wird dagegen durch die Poren der Membran filtriert. Deren Oberfläche ist so funktionalisiert, dass entzündliche Endotoxine wie Lipopolysaccharide (LPS) daran haften.

Funktionale Membranen für die sichere, energieeffiziente Gastrennung

Der industrielle Einsatz technischer Membranen ist bisher überwiegend auf die Flüssigfiltration und weniger auf die Gastrennung ausgelegt. Im Projekt MEGA wurden am Fraunhofer IGB in Kooperation mit drei weiteren Fraunhofer‑Instituten Mixed‑Matrix‑Membranen entwickelt, die aufgrund verbesserter Trenneigenschaften im Vergleich zu reinen Polymerbeschichtungen ein großes Potenzial für die Gastrennung besitzen.

Entwicklung, Design und Aufbau eines modularen, innovativen und kosteneffizienten PEM-Elektrolyse-Systems von 1,25 MW mit nachgeordneter Kompressionsanlage

Das Gesamtziel des Verbundvorhabens „MegaLyseurPlus“ war die Optimierung des Gesamtsystems „Elektrolyse‑Anlage“ und die Schaffung der Voraussetzungen für die Entwicklung und Betrieb von künftigen Großelektrolysesystemen. Am IGB wurden dazu die Infrastruktur zur Charakterisierung von Ionomermembranen aus- und aufgebaut.

Membranadsorber für die Abtrennung von Wertstoffen und Mikroschadstoffen

Für die Wasserfiltration stehen heute bereits unterschiedliche Membrantypen kommerziell zur Verfügung. Gemeinsam ist diesen Membranen, dass im Wesentlichen unterschiedliche Trenngrenzen für einen Größenausschluss genutzt werden. Die darunterliegende poröse Struktur, die eine hohe spezifische Oberfläche bietet, bleibt dagegen ungenutzt. Membranen für die Nanofiltration (NF) und Umkehrosmose (RO) können zwar molekulare und ionische Stoffe teilweise zurückhalten dafür sind aber hohe Drücke notwendig.

Rückgewinnung von Metallen

Das Recycling von Rohstoffen, insbesondere Sondermetallen, ist aufgrund ihres Werts (Edelmetalle), ihrer Verfügbarkeit (Seltene Erden) oder ihrer Toxizität (Schwermetalle) von hoher Bedeutung, sowohl für die industrielle Produktion als auch für die Umwelt. Prozess- und Abwasserströme, z. B. aus Laugungsbädern der Galvanikindustrie, oder auch Deponiesickerwässer können signifikante Mengen an gelösten Metallen enthalten.

In einem Osmosekraftwerk werden zwei Wasserströme mit unterschiedlichem Salzgehalt über eine semipermeable Membran in Kontakt gebracht. Die Membran lässt Wasser durch und hält Salz zurück. Dies führt dazu, dass ständig Wasser in den Wasserstrom mit höherem Salzgehalt übertritt und der Druck auf der Salzwasserseite ansteigt. Das Wasser kann über eine Turbine entspannt werden und erzeugt dabei elektrische Energie.

NEXT GENERATION PLASMA CONVERSION: Integration von grünem Wasserstoff in die Plasma-Konversion von CO₂

Das Projekt NexPlas zielt auf die innovative Kombination eines Plasmaverfahrens mit einem Membranverfahren zur Synthese von höherwertigen Basischemikalien aus CO₂ und „grünem Wasserstoff“. Der Schwerpunkt der Arbeiten am IGB liegt in der Aufskalierung der einzelnen Prozessbereiche. Neben der Membranherstellung wird insbesondere an der Integration von Mehrfasermodul-Systemen in einen Plasmabrenner gearbeitet.

Plasma-induzierte CO₂-Konversion

PiCK entwickelte einen neuartigen Prozess, um regenerativ erzeugte elektrische Energie zur Nutzung von klimaschädlichem CO₂ als Kohlenstoffquelle einzusetzen. Durch eine Kombination von Plasma- und Membranprozess wurde CO₂ in O₂ und CO aufgespalten, welches als Ausgangsprodukt für die Synthese von Plattformchemikalien und chemischen Energiespeichern, beispielsweise Methanol, dienen kann. Am IGB wurden erstmals gasdichte keramische Kapillaren hergestellt, die sowohl CO₂-stabil als auch für die Abtrennung von Sauerstoff aus einem Plasma geeignet sind.

Polyvalente Trennungen durch flexible Integration aktiver Oberflächen in Membranen

Kommerziell in der Wasserfiltration eingesetzte Membranen nutzen die unterschiedlichen Trenngrenzen für den Größenausschluss. In dem vom BMBF geförderten Vorhaben POLINOM soll nun auch die unter der Trennschicht liegende poröse Struktur funktionell genutzt werden. Dazu will das Projektteam neue Beschichtungsmaterialien und partikuläre Additiven entwickeln, die entweder direkt in den Herstellungsprozess oder in einem Nachbehandlungsschritt in die Membran integriert werden.

Sulfatabreicherung mittels Vorwärtsosmose und Hohlfasertauchmodulen

Zu den Spätfolgen des Braunkohletagebaus gehört die Eisen- und Sulfat-belastung von Grund- und Oberflächenwässern. Deshalb ist es Ziel des Projektes, ein Verfahren auf Basis der Vorwärtsosmose zu entwickeln und zu demonstrieren, um Sulfat aus Oberflächen- und Grundwässern abzureichern, so dass sie als Bewässerungs- und Trinkwasser nutzbar sind. Dazu wurden am IGB Hohlfasern auf Cellusloseacetat-Basis entwickelt, die Außen die Trennschicht tragen und aus einem grünen Lösemittel verarbeitet wurden.