Wasserstoff mit erneuerbarem Strom aus Wasser gewinnen

Neue Materialien und Elektroden für die Wasserelektrolyse zur Erzeugung von Hochdruck-H2

Wichtigste bisherige Ergebnisse

Für die elektrolytische Spaltung von Wasser in die Gase Wasserstoff und Sauerstoff gibt es verschiedene Verfahren. Der Forschungscluster A1 konzentriert sich auf die PEM-Elektrolyse, bei der eine Protonenaustauschmembran (PEM) die beiden Elektroden voneinander trennt. Wasserstoff bildet sich dabei an einer Platin-Kathode, Sauerstoff an einer iridiumbasierten Anode. Um hohe Leistungen zu erreichen, erfordert die Technik aktuell große Mengen der beiden Edelmetalle.

Für die großtechnische Anwendung müssen die Edelmetallgehalte sowohl wegen der hohen Kosten als auch wegen der begrenzten Verfügbarkeit verringert werden. Im ersten Projektjahr gelang die Reduktion der Platinbeladung der Kathode von 0,3 mg/cm2 auf 0,03 mg/cm2, ohne dass dies zu relevanten Leistungseinbußen führt. Auf der Anodenseite konnte die Iridiumbeladung mit kommerziell erhältlichen Materialien von 2 mg/cm2 auf 0.5 mg/cm2 gesenkt werden, wobei das untere Limit durch die Struktur der Anodenschicht und nicht durch das Material selbst begrenzt ist.

Für eine weitere Verringerung der Iridiumgehalte gibt es verschiedene Ansätze. Zum einen ließe sich die Aktivität des Katalysators durch Legierung mit anderen Edelmetallen, etwa Ruthenium, oder durch Vergrößerung der aktiven Oberfläche steigern. Zum anderen könnte man die Gehalte von Iridium im Innern der Katalysatorschicht verringern, da vor allem die Oberfläche katalytisch aktiv ist. Diese Konzepte hat der Forschungscluster A1 näher untersucht: So wurde Iridiumoxid mit einer etwa sechsmal größeren Oberfläche sowie hochporöses Antimon- dotiertes Zinnoxid, das mit einer dünnen Lage Iridiumoxid beschichtet ist, hergestellt. Die beiden neuen Iridium-Katalysatoren zeigten eine höhere spezifische Aktivität als die ursprünglich verwendeten.

Außerdem wurden Alterungsprozesse in nicht kontinuierlich betriebenen Elektrolyseuren untersucht. Bei zeitweiser Abschaltung des Stroms – ein Problem, das in der Praxis bei Mangel an Solar- und Windkraft auftreten kann – kam es auf der Anodenseite zur Alterung und Auflösung des iridiumhaltigen Materials. Beides ließe sich vermeiden, wenn der Elektrolyseur während solcher Phasen mit einem geringen Strom weiterbetrieben wird. Auch diese Effekte fließen in die Abschätzung der Wasserstoffherstellungskosten ein.

Geplante Arbeiten

Basierend auf den bisherigen Ergebnissen werden zunächst die herstellbaren Mengen der neuen Katalysatormaterialien abgeschätzt. Anschließend sollen die iridiumhaltigen Elektroden charakterisiert und optimiert werden, um sie schließlich im 1000-stündigen Dauerbetrieb in großen Elektrolysezellen zu testen. Parallel dazu wird die Stabilität der neuen Platin- und Iridium- Katalysatoren in beschleunigten Alterungstests näher untersucht. Grundlegende Experimente in einer elektrochemischen Durchflusszelle, gekoppelt an eine massenspektrometrische Analyse, und Materialanalysen während des Betriebs ergänzen die Tests in den PEM-Elektrolysezellen. Modellrechnungen werden die Experimente begleiten. Die Ergebnisse der Alterungstests fließen schließlich in ein verbessertes Modell zur Wirtschaftlichkeitsanalyse ein. Ziel ist ein hinsichtlich der Anschaffungs- und Betriebskosten optimierter Elektrolyseur, der sich zum Beispiel durch einen geringeren Strombedarf auszeichnet.

Leitung: Professor Dr. Hubert A. Gasteiger (Technische Universität München)

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