Großserienproduktion von PEM-Elektrolyseuren: Katalysatortinten für skalierbare Drucktechnologien mit reduzierter Iridium-Beladung

Großserienproduktion von PEM-Elektrolyseuren: Katalysatortinten für skalierbare Drucktechnologien mit reduzierter Iridium-Beladung

Elektrolyseure ermöglichen die umfassende Nutzung erneuerbarer Energien, indem sie Wasserstoff erzeugen, der als chemischer Energiespeicher genutzt werden kann. Um bereits in naher Zukunft konkurrenzfähige Stacks für die PEM-Elektrolyse in hoher Stückzahl produzieren zu können, untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE skalierbare Produktionsverfahren wie Schlitzdüsendruck und Siebdruck zur Herstellung von Katalysatorschichten für der Membran-Elektroden-Einheit (MEA). Sie haben nun Katalysatortinten für beide Produktionsverfahren entwickelt, welche eine Herstellung von Katalysatorschichten mit geringerer Iridium-Beladung und im hohen Durchsatz ermöglichen. Die Material- und Herstellungskosten für PEM-Elektrolyseure werden so erheblich gesenkt.

Neben weiteren Innovationen für die Wasserstoffwirtschaft präsentiert das Fraunhofer ISE auf der Hannover Messe vom 22. bis 26. April 2024 in Halle 13, Stand C41 MEAs, die im Siebdruck- oder Schlitzdüsenverfahren hergestellt wurden sind.

Unter den verschiedenen Elektrolysetechnologien ist die Protonenaustauschmembran (PEM)-Elektrolyse von besonderem Interesse, da sie mit höheren Stromdichten betrieben werden kann als die alkalische Wasserelektrolyse und die Festoxid-Elektrolyse. Darüber hinaus eignet sich die PEM-Elektrolyse aufgrund ihrer hohen Flexibilität, d.h. ihrer kurzen Anfahrzeit und ihres großen Lastbereichs, hervorragend zum dynamischen Ausgleich von Stromnetzen. Für die zeitnahe Hochskalierung dieser Technologie sind allerdings noch Forschungsanstrengungen zur Erhöhung des Wirkungsgrads und zur Senkung der Herstellungskosten nötig.

Die MEA, bestehend aus der Protonenaustauschmembran und zwei Katalysatorschichten, ist die zentrale Komponente einer Elektrolysezelle und trägt zu einem Großteil der Stackkosten bei. »Besonderer Kostentreiber ist die Anoden-Elektrode, die das seltene und teure Edelmetall Iridium als Katalysatormaterial enthält.« erklärt Tom Smolinka, Abteilungsleiter für Elektrolyse und Wasserstoff-Infrastruktur. »Für einen Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft muss die Produktionsforschung von MEAs auf Basis industrieller und innovativer Herstellungsprozesse unter Beibehaltung eines ressourcenschonenden Materialeinsatzes erfolgen.«, so Smolinka weiter.

Die Iridium-Beladung einer Katalysatorschicht steht in direktem Zusammenhang mit den Leistungswerten einer MEA. »Wir konnten nun zeigen, dass bei beiden Beschichtungstechnologien Katalysatorschichten mit Beladungen von 0,3 mg Iridium pro Quadratzentimeter vergleichbare Leistungswerte erzielen.« erklärt Jerónimo Horstmann de la Vina, Forscher im Produktionslabor für Brennstoffzellen- und Elektrolyseforschung. »Mit diesem Wert werden die strengen Vorgaben des US Department of Energy erfüllt.«

Die Forschenden sind zusätzlich nun in der Lage, mit Siebdruck auf einer Fläche ca.
400 cm² zu drucken. »Auch das trägt zur Senkung der Herstellungskosten bei.« erklärt Horstmann de la Vina, »denn so können Hersteller zügiger produzieren.« Die Vergrößerung der bedruckbaren Fläche und die Senkung der Iridium-Beladung ist Inhalt weiterer Forschung. Das so generierte Know-how soll deutschen Unternehmen aus dem Anlagenbau, der Materialherstellung und Energiebereich helfen, eine Spitzenposition im international umkämpften Markt der MEA-Produktion einzunehmen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE forschen im Rahmen diverser nationaler und internationaler Projekte seit 2019 zur Entwicklung einer großskaliegen Produktion von Membran-Elektroden-Einheiten, die sowohl in Elektrolyseuren als auch in Brennstoffzellen ihren Einsatz finden. Ein Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung von Katalysatormaterialien und auf Qualitätssicherungsmethoden.

(Quelle: Fraunhofer ISE vom 28.03.24)