Foto: Fraunhofer IAP
Die kostengünstige und nachhaltige Erzeugung von Wasserstoff ist eine der zentralen Herausforderungen im Rahmen der Energiewende. Ein wesentlicher Baustein in der Wasserstofftechnologie sind hochleitfähige Membranen für Elektrolyseure. Hier setzt ein Forschungsteam des renommierten Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Brennstoffzellen Technik ZBT GmbH an. Das Team hat innovative Anionenaustauscher-Membranen (AEM) entwickelt, mit denen es möglich sein soll, Wasserstoff günstiger als bisher herzustellen.
Wie funktioniert die Elektrolyse von Wasserstoff?
Die „Elektrolyse“ beschreibt die chemische Aufspaltung einer Verbindung mithilfe von elektrischem Strom. Dieser Prozess trennt die darin enthaltenen Stoffe voneinander. Die Durchführung der Elektrolyse erfolgt in einem Gerät namens Elektrolyseur. Hierfür werden zwei Elektroden (Anode und Kathode), eine Gleichstromquelle und ein Elektrolyt benötigt – eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit wie reines Wasser oder alkalische Verbindungen.
Wasserstoff (H2) kommt in gebundener Form vor und muss daher aus diesen Verbindungen herausgelöst werden. Die Elektrolyse ist entscheidend für die Herstellung von Wasserstoff. Dabei werden aus zwei Wassermolekülen (2H2O) jeweils zwei Wasserstoffmoleküle (2H2) und ein Sauerstoffmolekül (O2) gewonnen. Dieser spezielle Prozess der Elektrolyse wird als „Wasserelektrolyse“ bezeichnet.
Besondere Bedeutung kommt dem Elektrolyseur bei der Wasserelektrolyse zu. Derzeit werden verschiedene Arten von Elektrolyseuren erforscht – einige verwenden Membranen, andere setzen auf Flüssigkeiten. Experten sehen viel Potenzial in der Anwendung von Anionenaustauscher-Membranen (AEM) für die Elektrolyse. Diese Technologie soll die Massenproduktion von Wasserstoff aus erneuerbarem Strom ermöglichen. Ein entscheidender Faktor ist jedoch die Kostenreduktion bei der Herstellung, um dieses Ziel zu erreichen. Und genau hier ist das Forschungsteam einen Schritt vorangekommen.
Neue Klasse an Membranen für effizientere Elektrolyse
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP) ist es Forschenden gelungen, eine vielversprechende neue Klasse von Anionenaustauscher-Polymeren zu synthetisieren und daraus hochwertige Membranen herzustellen. Diese Membranen bilden die Grundlage für die Entwicklung kostengünstiger und effizienter Elektrolyseure, die sogenannten „Anionenaustauschermembran-Wasserelektrolyseure“ (AEM-WE).
Die Entwicklung der neuen Anionenaustauscher-Polymere und der daraus resultierenden Membranen markiert nach Meinung des Forschungsteams einen wichtigen Schritt für die deutsche Wasserstoff-Industrie. Bilkay-Troni betont, dass sowohl Hersteller von Elektrolyseuren als auch ihre Zulieferer von den gewonnenen Erkenntnissen profitieren werden.
Neue Membranen frei von umweltschädlichem PFAS
Aktuell verfügbare Membranen, wie zum Beispiel die Marke Nafion, beruhen auf dem Prinzip der Protonenleitung, das in der Protonenaustauschermembran-Wasserelektrolyse (kurz PEM-WE) angewendet wird. Dabei sind teure Edelmetalle wie Iridium als Katalysatoren erforderlich. Zudem enthalten diese Membranen einen hohen Anteil von PFAS, welche in der Umwelt nur schwer abgebaut werden können und als krebserregend verdächtigt werden.
Die neu entwickelten Anionenaustauschermembranen hingegen eröffnen die Möglichkeit, den Elektrolysebetrieb mit kostengünstigen Übergangsmetallen durchzuführen. Diese Membranen sind frei von PFAS und können auch über das Jahr 2025 hinaus im Einklang mit dem geplanten Beschränkungsprozess für PFAS innerhalb der EU-Chemikalienverordnung REACH verwendet werden.
Bisher fehlten chemisch stabile und hochleitfähige Materialien
Bislang mangelte es an hochleitfähigen Materialien, die sowohl chemisch stabil sind als auch den extremen Bedingungen in alkalischen Elektrolyseuren und Brennstoffzellen standhalten können. Doch diese Lücke wird nun durch die Entwicklung neuer Polymere geschlossen, wie Bilkay-Troni erläutert.
Die neuartigen PFAS-freien Polyphenylchinoxaline (PPQs) zeigen laut Forschungsteam eine bemerkenswerte Alkalistabilität. Ausgehend von den PPQs konnte das Team am Fraunhofer IAP hydroxidionenleitfähige Membranen herstellen, die sich ideal für den Einsatz in Elektrolyseuren eignen. Die Eignung dieser Membranen wurde durch in-situ Tests des Zentrums für Brennstoffzellen Technik ZBT GmbH nachgewiesen.
Die neuen Membranen erzielen im Elektrolysebetrieb eine Stromdichte von 0,5 Ampere pro Quadratzentimeter bei einer Spannung von zwei Volt. Die spezifische Leitfähigkeit für Hydroxidionen der kürzlich entwickelten Membranen beträgt etwa acht Millisiemens pro Zentimeter bei 60 Grad Celsius und 95 Prozent relativer Feuchte.
Neues Ziel: Weiterentwicklung der Membranen
Die Forschenden haben bereits neue Ziele für die Weiterentwicklung der Membranen: Sie möchten die Anionen-Leitfähigkeit weiter erhöhen und streben an, unter den gleichen Bedingungen 40 Millisiemens pro Zentimeter zu erreichen. Auf diese Weise sollen die Membranen mit den derzeit verwendeten vorkommerziellen AEM-Materialien konkurrenzfähig werden. Die neuartigen Polymermaterialien zeigen vielversprechende Ergebnisse und geben Anlass zu Optimismus, dass die Leitfähigkeit, Stabilität und somit die Leistungsfähigkeit der Elektrolyseure erheblich verbessert werden können.
Ein weiterer interessanter Aspekt ist die mögliche Anwendung dieser AEM-Materialien in Brennstoffzellen. Die Forschenden betrachten dies als eine potenzielle zukünftige Anwendung, was zusätzliche Perspektiven für eine nachhaltige und effiziente Energieerzeugung eröffnet. Dr. Ivan Radev und Miriam Hesse, die Projektverantwortlichen am Zentrum für Brennstoffzellen Technik ZBT GmbH, sind zuversichtlich, dass diese Entwicklungen einen wichtigen Beitrag zur Energiegewinnung der Zukunft leisten können.
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