SI/502174

Schlussbericht

Die Wasserelektrolyse wird als Schlüsseltechnologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff für Power-to-X-Prozesse angesehen. Die Kosten für elektrolytisch erzeugten Wasserstoff werden durch den Investitionsaufwand für den Elektrolyseur und insbesondere durch die Stromkosten bestimmt. Daher ist eine Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrads und der Haltbarkeit der Zellkomponenten unumgänglich. Ziel des Projekts war die Erforschung neuer Elektrolyseurkomponenten mit verbesserter Leistung und Stabilität, insbesondere bei erhöhter Zelltemperatur, d.h. 90°C. Konkret wurden Strategien für den Einsatz von Platin Gasrekombinationskatalysatoren und Cer-Zirkonium-Oxid (CZO) als antioxidative Zusätze in Verbindung mit dem Einsatz dünner perfluorierter Membranen (Typ Nafion™) mit einer Dicke von ~50 mm entwickelt. Beide Zusätze sind notwendig, um einen sicheren Betrieb der Zelle über einen großen Stromdichtebereich zu gewährleisten und eine Membranlebensdauer von mehreren zehntausend Stunden zu ermöglichen. Da das Vorhandensein von Platin in der Membran die Bildung reaktiver Zwischenprodukte verstärkt, was die Degradation der Membran beschleunigt, wurde erstmals ein bifunktionaler Katalysator aus CZO-geträgertem Pt erfolgreich eingesetzt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Wirksamkeit des Rekombinationskatalysators und des Antioxidations maximiert werden kann, wenn sie in definierten Schichten in der Membran in der Nähe der Kathode bzw. Anode angeordnet sind. Mit einer optimierten Konfiguration beträgt die hochgerechnete Lebensdauer der Membran 30'000 Stunden bei 90°C, im Vergleich zu 4'000 Stunden bei einer undotierten Membran. Ein kritischer Aspekt, der weiter untersucht werden muss, ist die chemische Stabilität von Oxiden auf Cer-Basis, die für den langfristigen Betrieb eines Elektrolyseurs entscheidend sein kann. Ein weiterer Aspekt der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses der Zusammensetzung der Wasserstoff-Elektrode, was sich als bedeutend für die Minimierung des Wasserstoffdurchtritts auf die Anodenseite erwiesen hat. Zusammenfassend werden als Ergebnis dieses Projektes Ansätze für die Ausgestaltung von Membrane-Elektrodeneinheiten von Wasserelektrolyseuren vorgeschlagen, um Wasserstoffdurchtritt und Ionomeralterung in katalysatorbeschichteten Protonenaustauschmembranen zu verringern. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung von PEM-Wasserelektrolysezellen der nächsten Generation bei.

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