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Neue Materialien für die Elektrolyse: Grünen Wasserstoff günstiger herstellen

Grüner Wasserstoff – mit erneuerbarer Energie aus Wasser hergestellt – ist ein wichtiger nachhaltiger Treibstoff und Energiespeicher. Seine industrielle Herstellung ist allerdings deutlich teurer als die konventionelle Gewinnung von Wasserstoff aus fossilen Quellen. Empa-Forschende entwickeln mit ihren Partnern Materialien für die Wasserelektrolyse, die nicht nur leistungsfähiger und günstiger sind, sondern sich auch in industriellem Massstab skalieren lassen.

Wasserstoff kann fossile Brennstoffe ersetzen und ist somit ein wichtiger Pfeiler der Energiewende. Die Idee ist simpel: Strom aus erneuerbaren Quellen plus Wasser ergibt Wasserstoff und Sauerstoff. Verbrennt man den Wasserstoff, so reagiert er mit atmosphärischem Sauerstoff wieder zu Wasser und der Kreis schliesst sich – ganz ohne Treibhausgasemissionen.

So zumindest der Idealfall. In der Realität hat die Herstellung von «grünem» Wasserstoff mittels Elektrolyse starke Konkurrenz. Über 90 Prozent des Wasserstoffs wird heute aus fossilen Quellen gewonnen, überwiegend aus Erdgas. Der Hauptgrund: Der nachhaltigere Wasserstoff aus der Elektrolyse ist rund doppelt so teuer in der Herstellung.

In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der französischen «Agence Nationale de la Recherche» (ANR) unterstützten Projekt wollen Empa-Forschende aus dem Labor «Materials for Energy Conversion» nun Abhilfe schaffen. Ein Kostentreiber der Elektrolyse sind nämlich die Materialien, die bei der Herstellung der Elektrolyseure zum Einsatz kommen. Gemeinsam mit Forschenden der französischen Forschungsinstitute «Institut de la Corrosion» in Brest und «LEMTA» in Nancy arbeiten die Empa-Forschenden an günstigeren Alternativen für zwei Schlüsselkomponenten der Elektrolyse-Geräte.

Keine Angst vor Korrosion
Im Visier der Forschenden steht die sogenannte «Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis»- Technologie, kurz PEMWE. PEMWE-Elektrolyseure sind effizient und kompatibel mit Energieschwankungen, die aus erneuerbaren Quellen zu erwarten sind. Die Umgebung, die im Elektrolyseur herrscht, ist allerdings korrosiv. In der zentralen Kammer des Elektrolyseurs löst sich Stahl schlichtweg auf «wie Zucker in einer Tasse Tee», so Empa-Forscher Konstantin Egorov. Selbst Komponenten, die nicht mit dem hochsauren Milieu in Kontakt kommen, korrodieren. Und schon geringste Mengen an gelöstem Metall im hochreinen Wasser, das zur Elektrolyse in das Gerät strömt, führen zu Einbussen in seiner Leistung und seiner Lebensdauer.

Die Komponenten für die Zu- und Ableitung des Wassers und der entstehenden Gase innerhalb des Elektrolyseurs bestehen deshalb aus Titan, das sowohl teuer als auch schwierig zu verarbeiten ist. Selbst das ist nicht genug: Damit das Titan nicht oxidiert und die Wirksamkeit des Elektrolyseurs beeinträchtigt, müssen die Bauteile noch mit dem Edelmetall Platin beschichtet werden, was die Kosten weiter in die Höhe treibt.

Materialwissenschaftler Egorov sucht deshalb nach Wegen, das teure Platin zu ersetzen, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Dafür setzt er auf eine besondere Form des Titanoxids, das sogenannte hochkristalline sauerstoffarme Rutil. Bei diesem Oxid fehlen an bestimmten Stellen Sauerstoffatome, was dem Material eine gute Leitfähigkeit verleiht, während seine Hochkristallinität für eine hohe Korrosionsbeständigkeit sorgt – genau die richtigen Voraussetzungen für die PEMWE- Elektrolyse. Das Trägermaterial Titan ersetzen die Forschenden durch Stahl. «Stahl ist nicht nur günstiger, sondern auch viel einfacher zu verarbeiten. Das ermöglicht neue, fortschrittliche Komponentendesigns, die die Effizienz der Zelle steigern», erklärt Egorov. Dank der robusten Beschichtung soll die korrosive Umgebung dem Material nichts mehr anhaben können.

Die Umsetzung in der Industrie gleich mitgedacht
Die ersten Ergebnisse bestätigen die hohe Korrosionsbeständigkeit der innovativen Beschichtung. «Wir konnten eine Methode entwickeln, um die erste Komponente des PEMWE-Elektrolyseurs, die sogenannte bipolare Platte, erfolgreich mit Titanoxid zu beschichten», sagt Egorov. Die Methode, die der Empa-Wissenschaftler dafür nutzt, heisst physikalische Gasphasenabscheidung (engl. «physical vapour deposition» oder PVD) und ist in der Industrie weit verbreitet. «Es ist uns wichtig, etwas zu entwickeln, was die Industrie tatsächlich gebrauchen kann», betont der Forscher.

Die Komponenten, die Egorov an der Empa herstellt, unterziehen seine Partner gründlichen Korrosionstests, zunächst unter Laborbedingungen, dann in einem funktionierenden Elektrolyseur. Die bipolare Platte hat die Tests bereits erfolgreich überstanden. Als nächstes wollen die Forschenden eine weitere Schlüsselkomponente mit Titanoxid beschichten, die sogenannte poröse Transportschicht.

«Die Beschichtung von porösen Materialien birgt viele Herausforderungen», weiss Egorov. Die Poren müssen gleichmässig beschichtet werden, damit das darunterliegende Material nicht korrodiert – zugleich dürfen sie aber nicht verstopfen. Der Beschichtungsexperte ist jedoch zuversichtlich, dass dies machbar ist. Das Projekt läuft noch bis 2026. Danach hoffen die Empa-Forschenden, einen Industriepartner an Bord zu holen, um die innovative Technologie in Richtung Kommerzialisierung weiterzuentwickeln.


Kontakt:
Dr. Konstantin Egorov
Empa, Materials for Energy Conversion
Tel. +41 58 765 65 19
konstantin.egorov@empa.ch

Dr. Meike Heinz
Empa, Materials for Energy Conversion
meike.heinz@empa.ch