Katalysatoren und Membranen für effizientere Wasserstoffproduktion

Wasserstoff wird oft als Energieträger der Zukunft bezeichnet und spielt eine Schlüsselrolle bei der Umstellung auf erneuerbare Energien. Um die Technologien rund um die Wasserstoffproduktion und -nutzung nachhaltiger und effizienter zu machen, forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP an neuen Lösungen. Im Fokus stehen dabei Katalysatoren mit reduziertem Edelmetallgehalt sowie leistungsfähige Membranen ohne den Einsatz von per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS). Die Ergebnisse dieser Forschungsarbeit präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Hannover-Messe am Stand des Fraunhofer-Wasserstoff-Netzwerks in Halle 13, Stand C41/2.

Um Wasserstoff durch Elektrolyse zu erzeugen und ihn in elektrische Energie mittels Brennstoffzellen umzuwandeln sind Katalysatoren von entscheidender Bedeutung. Sie beschleunigen die elektrochemischen Reaktionen und beeinflussen somit direkt die Leistung, Haltbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Systeme. Herkömmliche Katalysatoren basieren auf seltenen und teuren Edelmetallen wie Platin, dessen Gewinnung mit hohen Umweltbelastungen einhergeht. Die Forschenden am Fraunhofer IAP entwickeln daher neuartige Multielementkatalysatoren, die den Platingehalt deutlich reduzieren, ohne Einbußen bei der Leistungsfähigkeit hinnehmen zu müssen. Diese neuartigen Katalysatoren vereinen mehrere Funktionen auf einer Oberfläche und bieten so eine höhere Aktivität, längere Standzeiten und eine bessere Umweltbilanz als herkömmliche Varianten.

Umweltfreundliche Membranen für die Wasserstoff-Technologie

Neben Katalysatoren sind auch ionenleitende Membranen unverzichtbare Komponenten in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. Sie ermöglichen den Transport von Protonen oder Anionen, isolieren elektrisch und trennen Gase. Bisher dominierten PFAS-haltige Membranen den Markt aufgrund ihrer hohen Leistungsfähigkeit und chemischen Stabilität. Jedoch bringen diese „Ewigkeitschemikalien“ viele Nachteile mit sich: Sie sind schwer abbaubar, reichern sich in Umwelt und Organismen an, stehen im Verdacht, gesundheitsschädlich zu sein, und verursachen hohe Kosten bei Herstellung und Entsorgung. Angesichts dieser Probleme und strengerer EU-Vorgaben entwickelt das Fraunhofer IAP PFAS-freie Membranen, die nicht nur umweltverträglicher, sondern auch leistungsstärker und langlebiger sind – insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen wie in Brennstoffzellen.

In aktuellen Forschungsprojekten kombiniert das Fraunhofer IAP die selbst entwickelten, edelmetallreduzierten Multielementkatalysatoren mit den neuartigen PFAS-freien Membranen. Ziel ist es, katalysatorbeschichtete Membranen zu schaffen, die als Kernkomponenten in Elektrolyseuren und Brennstoffzellen eingesetzt werden können. Durch die Kombination der neuen Materialien sollen die Systeme umweltfreundlicher, kostengünstiger in der Herstellung und leistungsfähiger werden. Die Forschungsarbeiten am Fraunhofer IAP leisten somit einen Beitrag zur Entwicklung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft und ebnen den Weg für eine breite industrielle Anwendung dieser Technologien.

Effiziente Wasserstoff-Aufreinigung durch maßgeschneiderte Membranen

Ein weiterer Schwerpunkt am Fraunhofer IAP liegt darauf, Membranen zur Aufreinigung von Wasserstoff zu entwickeln. Bei der Elektrolyse entsteht Wasserstoff, der Feuchtigkeit und Verunreinigungen enthält. Diese können die Qualität und Sicherheit des Gases beeinträchtigen, weshalb Verfahren zur Abtrennung, Reinigung und Trocknung nötig sind. Die am Fraunhofer IAP entwickelten Membranen sind speziell für den Einsatz bei niedrigen Drücken ausgelegt und finden auch in anderen Bereichen wie der Biogasaufbereitung Anwendung. Ein Alleinstellungsmerkmal ist die exakte Anpassung an spezifische Prozessanforderungen – von der Polymersynthese bis hin zur gezielten Membranstrukturierung. So lassen sich Eigenschaften wie Durchlässigkeit, Porengröße, Porosität, Stabilität und Permeabilität auf den Anwendungsbereich abstimmen.

Auf der Hannover-Messe präsentiert das Fraunhofer IAP ein Testmodul, das die Abtrennung von Wasserstoff aus Abluft im Niederdruckbereich demonstriert. Der gereinigte und getrocknete Wasserstoff steht anschließend für verschiedene technische Anwendungen zur Verfügung. Durch den Einsatz der am Institut entwickelten Membranen wird der Aufreinigungsprozess effizient und kostengünstig gestaltet. Die Besucherinnen und Besucher der Messe haben die Möglichkeit, sich am Stand des Fraunhofer-Wasserstoff-Netzwerks über die Technologie zu informieren und mit den Expertinnen und Experten des Fraunhofer IAP ins Gespräch zu kommen.

Vom Labor in die Industrie: Skalierung der Wasserstoff-Technologien

Damit die am Fraunhofer IAP entwickelten Katalysatoren und Membranen zeitnah wirtschaftlich konkurrenzfähig werden und in der Industrie zum Einsatz kommen können, legen die Forschenden großen Wert auf die Skalierbarkeit der Herstellungsprozesse. Bei den Katalysatoren setzen sie auf die Flusssynthese – ein am Institut entwickeltes und patentiertes Verfahren, das die Produktion definierter Nanopartikel im Technikumsmaßstab ermöglicht. Die Polymersynthese für die Membranen kann am institutseigenen Pilotanlagenzentrum PAZ bis in den Tonnenmaßstab realisiert werden. Die Verarbeitung der Hochleistungsmembranen erfolgt als Rollenware, was eine kontinuierliche Fertigung für den industriellen Einsatz möglich macht. Mit diesen Entwicklungen ebnet das Fraunhofer IAP den Weg für eine nachhaltige und effiziente Wasserstoffwirtschaft.