RADAR-PEM – ESR-basierte Kurzzeitdiagnostik für die Alterung von PEM-Elektrolyse-Membranen

Das ZBT und das MPI-CEC entwickeln im IGF-Projekt RADAR-PEM eine ESR-basierte Kurzzeitdiagnostik zur direkten Erfassung der Membranalterung in der PEM-Wasserelektrolyse.

Das IGF-geförderte Projekt RADAR-PEM verbindet die Elektronenspinresonanz (ESR) mit elektrochemischer Diagnostik, um die radikalgetriebene Degradation von Protonenaustauschmembranen in der PEM-Wasserelektrolyse erstmals direkt und quantitativ in Kurzzeitversuchen (≤ 72 h) zu erfassen. Das Projekt wird vom ZBT – Zentrum für Brennstoffzellen-Technik in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI-CEC) durchgeführt und startete am 01. Oktober 2026.

Problemstellung

In der PEM-Wasserelektrolyse treiben Radikale die chemische Degradation von Membranen und Elektrodenverbunden voran. Der Nachweis erfolgt bislang überwiegend indirekt – etwa über Spannungsdrift, Gas-Durchtritt oder Fluoridkonzentration im Prozesswasser – und erfordert aufwendige Lebensdauertests über mehrere hundert bis tausend Betriebsstunden. Für KMU stellt dies ein erhebliches Entwicklungs- und Investitionsrisiko dar. Die Problematik verschärft sich durch den regulatorisch angestrebten Ersatz der per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) durch neue, weniger kritische Polymere.

Projektziel

RADAR-PEM zielt auf die Entwicklung und Validierung einer ESR-basierten Kurzzeit-Diagnostik (≤ 72 h), die die Radikalbildung – Typ, Konzentration und Lebensdauer – direkt erfasst und quantitativ mit elektrochemischen Kennwerten verknüpft: Spannungsdrift (ΔU), Gas-Durchtritt (H₂/O₂-Crossover), Leerlaufspannungs-Drift (OCV) sowie EIS zur Trennung von ohmschen, kinetischen und Transport-Verlusten. Auf dieser Basis werden SOPs und Safe Operating Windows für PFAS-basierte und PFAS-freie Protonenaustauschpolymere abgeleitet.

Messarchitektur

Die experimentelle Umsetzung stützt sich auf zwei komplementäre Testzellen : eine ESR-spektro-elektrochemische Zelle mit Membran zur Simulation von H₂-Durchtritt und Erfassung des Einflusses von Nicht-PGM-Trägern (z. B. TiO₂, SnO₂/ATO, Ti₄O₇, ZrO₂); sowie eine Referenz-PEM-WE-Betriebszelle gekoppelt mit einem ESR-Spektrometer für realitätsnahe OCV-, Minimallast- und Last-Protokolle mit Spin-Trapping im Kreislauf.

Partner und Rollen

Das MPI-CEC (Mülheim an der Ruhr) verantwortet die ESR-Methodik – direkt und mit Spin-Trapping – sowie die spektro-elektrochemischen Zellen, die Kalibrierung und die Datenkorrelation. Das ZBT (Duisburg) betreibt die Referenz-PEM-WE-Zelle (Drei-Elektroden, RHE) und übernimmt EIS, Gas-Durchtritt, MEA-Screening, Betriebsfenster- und Idle-Protokolle sowie die SOP-Erstellung und den Transfer.

Nutzen und Transfer für KMU

Das Projekt adressiert ein generisches industrielles Problem der frühen Bewertung radikalgetriebener Materialalterung und eröffnet KMU neue Möglichkeiten der beschleunigten Material-Down-Selection, Risikoreduktion und qualifizierungsbasierten Dienstleistungsangebote. Als Transfergegenstände entstehen standardisierte Prüfprotokolle, SOPs, Referenzdatensätze, Kalibrierstandards sowie eine nachvollziehbare Datenpipeline zur Korrelation von Radikalbildung und Materialalterung.

Projektinfos

Projektakronym: RADAR-PEM
Projekttitel: Radikal Diagnostik und Kontrolle in PEM-Wasserelektrolyseuren: Elektronenspinresonanz-basiertes Monitoring der Alterung in PFAS- und PFAS-freien-Membranen
Projektlaufzeit: 01.10.2026 – 31.03.2029
Förderkennzeichen: 01IF25521N
Fördersumme: 524.925,35 € (ZBT: 247.970,53 €)
Partner:
- ZBT
- MPI-CEC

Ansprechperson

Sebastian Hirt

+49 203 7598-4285

s.hirt@zbt.de

Kompetenzen

Das Vorhaben baut auf den umfangreichen Kompetenzen des ZBT in den Bereichen PEM-Wasserelektrolyse, elektrochemische Charakterisierung, Mess- und Prüftechnik sowie Material- und Alterungsuntersuchungen auf. Die vorhandene Testinfrastruktur und Expertise ermöglichen die Untersuchung und Bewertung von Membranen und Membran-Elektroden-Einheiten unter definierten und realitätsnahen Betriebsbedingungen. Die entsprechenden Mess-, Prüf- und Entwicklungsdienstleistungen stehen auch Industriepartnern im Rahmen von Auftragsforschung und Entwicklungsprojekten zur Verfügung.

Mess- und Prüfdienstleistungen – Elektrochemische Charakterisierung und Prüfung von PEM-Elektrolysezellen und deren Komponenten, unter anderem mittels Impedanzspektroskopie und Gasdurchtrittsmessungen.
Entwicklungsdienstleistungen – Entwicklung und Validierung neuer Diagnose- und Prüfverfahren sowie Unterstützung bei der Untersuchung und Optimierung von Membranmaterialien und Elektrolysekomponenten.
Beratung und Studien – Unterstützung bei der Bewertung von Materialbeständigkeit und Alterungsverhalten sowie bei der Auswahl und Qualifizierung geeigneter Materialien für PEM-Elektrolyseure.

Weitere aktuelle Projekte

10. November, 2026

DegradMap – Ortsaufgelöste, segmentierte Analyse der Degradation von Brennstoffzellen im Froststart

Im IGF-Projekt DegradMap entwickelt das ZBT neue Messmethoden und Betriebsstrategien, um Frostschäden in Brennstoffzellen zu reduzieren und sichere, schnelle Kaltstarts auch bei Temperaturen bis −30 °C zu ermöglichen.

20. Oktober, 2026

ELYSeal – Lebensdauer und Sicherheit von Dichtungen in PEM-Elektrolyseuren

ZBT und Fraunhofer IMWS entwickeln verbesserte Prüf- und Bewertungsmethoden für Dichtungsmaterialien in sicheren und langlebigen PEM-Elektrolyseuren.

2. Oktober, 2026

RADAR-PEM – ESR-basierte Kurzzeitdiagnostik für die Alterung von PEM-Elektrolyse-Membranen

Das ZBT und das MPI-CEC entwickeln im IGF-Projekt RADAR-PEM eine ESR-basierte Kurzzeitdiagnostik zur direkten Erfassung der Membranalterung in der PEM-Wasserelektrolyse.

17. August, 2026

pAST-EL – Prädiktive AST-Protokolle für die Alkalische Elektrolyse

Im Projekt pAST-EL entwickeln ZBT und DLR prädiktive Stresstests und Machine-Learning-Modelle, um Degradation schneller zu erfassen, Lebensdauer zuverlässiger vorherzusagen und Betriebsstrategien für Elektrolyseure zu optimieren.

3. August, 2026

grELjet – Gradierte Katalysatorschichten für PEM-Elektrolyseure

Im Projekt grELjet entwickelt das ZBT gemeinsam mit Fraunhofer ENAS ortsaufgelöst optimierte Katalysatorschichten, die den Iridiumbedarf von PEM-Elektrolyseuren senken und ihre Effizienz steigern sollen.

3. August, 2026

NH3-HRS – Skalierbarer Ammoniak-Cracker für Wasserstofftankstellen

Im Projekt NH3-HRS entsteht ein kompaktes System, das Ammoniak direkt an Wasserstofftankstellen in hochreinen Wasserstoff umwandelt.

31. Juli, 2026

H2B – Ist Wasserstoff die passende Lösung für energieintensive KMU?

Neues Interreg-Projekt H2B verschafft Unternehmern Klarheit über Wasserstoff als Energielösung.

30. Juli, 2026

GALWANi – Nanodraht-Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse

Das Projekt GALWANi entwickelt maßgeschneiderte Nickel- und Nickel-Eisen-Nanodraht-Elektroden für leistungsfähigere und effizientere alkalische Elektrolyseure.