Forschung auf der Hannover Messe

Ultrafeine Transportschichten für Wasserstoff-Elektrolyseure

24. Februar 2025 - 12:55

Finale mikroporöse Schicht auf einem Titanfasersubstrat nach dem Siebdruckprozess. In einem anschließenden Schritt werden die beiden Schichten versintert. Die mikroporöse Schicht mit einer reduzierten Oberflächenrauheit ermöglicht ein optimiertes Interface.

(Bild: Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein)

Ultrafeine Titanschichten per Siebdruck – mit dieser Innovation optimiert das Fraunhofer ISE die PEM-Elektrolyse. Die Folgen: weniger Iridium-Verbrauch, niedrigere Kosten und ein entscheidender Schub für den grünen Wasserstoffmarkt.

Für die Herstellung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse sind Protonenaustauschmembranen (PEM) eine der vielversprechendsten Technologien. Um die Material- und Herstellungskosten für PEM-Elektrolyseure zu senken, forscht das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE an skalierbaren Produktionsverfahren.

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Nun ist es erstmals gelungen, ultrafeine poröse Transportschichten aus Titan im Siebdruckverfahren herzustellen und damit die Kosten für Katalysatormaterialien zu senken. Dabei kamen industrieübliche skalierbare Anlagen zum Einsatz. Auf der Hannover Messe (31.03.-04.04., Halle 13, C41) zeigt das Institut neben weiteren Innovationen Muster der optimierten mikroporösen Transportschicht.

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Warum ist PEM-Elektrolyse der Schlüssel für grünen Wasserstoff?

Die PEM-Elektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie für den Markthochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft, da sie mit hohen Stromdichten und dem flexiblen Stromangebot aus erneuerbaren Energien betrieben werden kann. Zentral für ihre Leistungsfähigkeit sind neben der katalysatorbeschichteten Membran die porösen Transportschichten (Porous Transport Layers, PTL).

Als "Lunge" der katalysatorbeschichteten Membran sind die PTL unter anderem für den Transport von Wasser und Gasen verantwortlich. Die Optimierung der PTL und ihrer Oberflächeneigenschaften ist ein großer Hebel zur Kostensenkung und Leistungssteigerung in der PEM-Elektrolyse. Daher rückt diese Schicht immer mehr in den Fokus unserer Forschung, erklärt Projektleiter Stefan Bercher vom Fraunhofer ISE.

Weitere Innovationen des Fraunhofer ISE auf der Hannover Messe:

Auf dem Stand des Fraunhofer ISE im Rahmen der Ausstellung »Hydrogen+ Fuel Cells Europe sind noch weitere Innovationen zu sehen:
Neben der Herstellung von PTL und MPL untersucht das Fraunhofer ISE weitere kunden-spezifische Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) für Elektrolyseure und Brennstoffzellen vom Labor- bis zum industriellen Maßstab.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verfügen über ein umfangreiches Know-how der Prozess- und Tintenentwicklung für die Siebdruck- und Schlitzdüsenbeschichtung. Am Messestand zeigen sie verschiedene MEA-Designs mit verringerter Edelmetall-Beladung, hergestellt mit kommerziell erhältlichen Materialien.
Das 3D-Exponat »Wasserstoff-Infrastruktur zeigt eine typische lokale, in sich geschlossene Wasserstoffinfrastruktur mit regionaler Erzeugung, Verteilung und Speicherung, aber auch mit Anbindungspunkten an nationale und internationale Infrastrukturen. Sie stellt damit die umfassenden Kompetenzen des Fraunhofer ISE über die gesamte Wasserstoff-Wertschöpfungskette dar.

Welche Rolle spielen mikroporöse Transportschichten?

Zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften werden zwischen PTL-Schicht und katalysatorbeschichteter Membran feinporige Titanschichten (microporous layers, MPL) aufgebracht. Sie ermöglichen durch ihre geringe Oberflächenrauhigkeit den Einsatz von Katalysatorschichten mit deutlich reduzierter Iridiumbeladung, da sie die Katalysatoranbindung und damit die Katalysatorausnutzung deutlich verbessern. Darüber hinaus ermöglichen sie den Einsatz dünnerer Membranen, wodurch die ohmschen Verluste reduziert werden.

Ziel der Projektgruppe am Fraunhofer ISE war es, die titanbasierten MPL optimal auf die zu kontaktierende Katalysatorschicht abzustimmen und so dünn wie möglich zu gestalten, da diese Metalle einer der Hauptkostenfaktoren in Elektrolyseuren sind. »Am Fraunhofer ISE haben wir jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung und Charakterisierung von Komponenten für die PEM-Elektrolyse. Dieses Know-how nutzen wir im Interface Engineering, um beide Schichten gemeinsam zu optimieren, statt wie bisher getrennt, erklärt Tom Smolinka, Abteilungsleiter Elektrolyse und Wasserstoffinfrastruktur am Fraunhofer ISE.

Was bringt die neue Titanschicht für die Katalysatoren?

Für den Druck der ultrafeinen MPL-Strukturen setzt das Fraunhofer ISE auf das Siebdruckverfahren, mit dem das Institut über langjährige Produktionserfahrung in der Photovoltaik verfügt. Da der Siebdruck eine präzise Kontrolle der Schichtdicke und -struktur erlaubt, sieht das Projektteam großes Potenzial in dieser Technologie.

In Versuchsreihen untersuchten die Forschenden, ob mit mikroporösen Transportschichten beschichtete PTLs bessere Ergebnisse erzielen als kommerziell erhältliche. Dazu wurden die einzelnen Produktionsschritte und Parameter des Druckprozesses vom Mischen der Tinte mit Titanpartikeln über den eigentlichen Siebdruck auf industrieüblichen Anlagen bis hin zur Sinterung optimiert. Bei der anschließenden Charakterisierung der auf eine grobe PTL gedruckten MPL-Schicht wurden insbesondere die Oberflächenrauheit und die Leistungsfähigkeit gemessen.

Für die weitere Optimierung und Anpassung der mikroporösen Schicht an kundenspezifische poröse Transportschichten ist das Forschungsteam nun auf der Suche nach Industriepartnern.