Optimierte Materialien für mehr Effizienz in der PEM-Elektrolyse
Die Diskussion um Wasserstoff aus erneuerbaren Energien dreht sich oft um Infrastruktur, Kosten und Skalierbarkeit. Dabei wird der Struktur der Elektrolysezelle, die der Technologie zugrunde liegt, oft zu wenig Beachtung geschenkt. Doch jede Komponente, von Membran über Elektrode bis zum Katalysator, beeinflusst das gesamte System. Im Bosch Hydrogen Expert Talk erklärt Anna Bernroitner, Expertin für Elektrochemie am Standort Linz, wie materialwissenschaftliche Überlegungen entscheidend zur Optimierung des Elektrolyse-Stacks beitragen können.
-253°C | The Bosch Hydrogen Expert Talk #9: wH₂y material matters
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In dieser Episode erklärt Anna Bernroitner, Expertin für Elektrochemie bei Bosch, wie sie und ihr Team durch materialwissenschaftliche Überlegungen entscheidend zur Optimierung des Elektrolyse-Stacks beitragen.
Was passiert bei der PEM-Elektrolyse?
Im Verfahren der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (englisch: Proton Exchange Membrane Electrolysis, kurz PEMEL oder PEM) wird Wasser mithilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt.
An der Anode werden die Wassermoleküle zerlegt, und an der Kathode entsteht Wasserstoff.
Die Komponenten der PEM-Elektrolyse
Im Kern geht es bei der PEM-Elektrolyse darum, den Fluss von Wasser und Gasen auf beiden Seiten der katalysatorbeschichteten Membran (CCM) präzise zu steuern, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass Elektronen zugeführt oder abgeführt werden können. Diese beiden Prozesse stehen zunächst im Widerspruch zueinander: Die Elektronenleitung funktioniert am besten in festen Materialien wie Metallen, während der Transport von Wasser und Gasen am besten in hochporösen, durchlässigen Strukturen gelingt. Daher befinden sich auf beiden Seiten der CCM poröse Schichten, die einen Kompromiss zwischen Leitfähigkeit und Durchlässigkeit schaffen.
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Poröse Transportschicht (PTL)
Die metallische PTL befindet sich auf der Anodenseite und ist notwendig für den Transport des Wassers zur CCM sowie für die Leitung von Gasen und Elektronen.
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Katalysatorbeschichtete Membran (CCM)
Die CCM ist das Herzstück der Zelle. Sie besteht aus einem elektrisch isolierenden, aber protonenleitenden Polymer, das auf beiden Seiten mit Katalysator beschichtet ist. Hier findet die eigentliche elektrochemische Reaktion statt. Die Elektronen wandern durch die CCM und reagieren an der Kathode zu Wasserstoff, der anschließend über die GDL abgeführt wird.
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Gasdiffusionsschicht (GDL)
Direkt an der Kathode befindet sich die GDL, gefertigt aus porösem Kohlenstoffmaterial. Ihre Struktur ist unter anderem essenziell für zwei Aufgaben: den effizienten Abtransport des entstehenden Wasserstoffs und die reibungslose Stromversorgung zum Reaktionsort.
Elektrolyse – eine Herausforderung der Materialwissenschaft
Um elektrochemische Systeme zu verstehen und gezielt zu verbessern, untersuchen und analysieren wir die Eigenschaften unserer Materialien so präzise wie möglich. Dafür führen wir elektrochemische Tests an Full-Scale und Sub-Scale Stacks durch und ergänzen diese durch Simulationen an Modellsystemen.
Mit der CCM können wir Zug- und Drucktests durchführen, um zu verstehen, wie mechanische Belastungen die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer beeinflussen. Die gewonnenen Erkenntnisse können in Simulationen genutzt werden, die wiederum neue Einsichten ermöglichen. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher Kreislauf aus Forschung, Verständnis und Innovation.
Wie optimieren wir die Lebensdauer des PEM-Elektrolyse-Stacks?
Ein gutes Beispiel dafür ist die Kompression der CCM, denn sie spielt eine entscheidende Rolle für die Leistung und Lebensdauer des Systems. Eine stärkere Kompression verbessert den elektrischen Kontakt zwischen der PTL, der GDL und der CCM, was zu einer höheren Effizienz führt. Gleichzeitig erhöht sich jedoch die mechanische Belastung, die die Alterung beschleunigen oder den Materialfluss zu und von den Reaktionsorten behindern kann. Unser Ziel ist es, das optimale Gleichgewicht zu finden, welches eine lange Lebensdauer sicherstellt, ohne dabei die Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen.
Wie können wir die Alterungsmechanismen der Membran besser verstehen?
Mit der Zeit unterliegt die CCM verschiedenen Alterungsprozessen, die sowohl mechanischer als auch chemischer Natur sein können. Mechanisch kann die Membran durch ständige Druckbelastung dünner werden. Eine weitere Möglichkeit ist die chemische Membranalterung, bei der die CCM einige der Polymermoleküle, aus denen die Membran besteht, verliert. Um diese Prozesse besser zu verstehen, kontaminieren wir die Elektrolysezellen gezielt mit verschiedenen Ionen, die katalytisch wirken können. Manche dieser Ionen beschleunigen chemische Abbauprozesse, andere blockieren die wichtigen Stellen im Polymer, die für den Protonentransport nötig sind. Auch die Katalysatoren auf der Außenseite der CCM können im Laufe der Zeit ihre Wirksamkeit verlieren. Etwa durch Katalysatorvergiftung, wenn aktive Zentren blockiert werden. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist entscheidend, um dauerhaft stabile und effiziente Membranen zu entwickeln.
