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Neue Materialien senken Kosten bei PEM-Elektrolyse
Im Projekt Ekolyser entwickeln Verbundpartner aus Wissenschaft und Industrie kostengünstige nachhaltige Materialien für die Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse. Ziel des Forschungsprojektes ist die PEM-Elektrolyse für den Einsatz in Massenmärkten bis 2020 einsatzfähig zu machen.
| Projektstatus | Projekt beendet |
|---|---|
| Projektaufzeit | Juli 2012 bis Dezember 2015 |
In enger Zusammenarbeit mit ihren Verbundpartnern entwickeln die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich neue Membrantypen. Diese sollen die bisher verwendeten 175 bis 200 µm dicken extrudierten Nafion-Membranen ersetzen, die in den geplanten Großsystemen keine ausreichende Stabilität aufweisen. Als weiteres Forschungsziel sollen die üblicherweise verwendeten Platingruppenmetalle, die heute für die katalytischen Reaktionen eingesetzt werden, reduziert bzw. im Idealfall komplett substituiert werden. In einem weiteren Arbeitspaket entwickeln die Forscher neue kostengünstige Materialien und Herstellverfahren für metallische Bipolarplatten, um den Anteil der Kosten von Flowfield und Separatorplatten an den Gesamtkosten drastisch zu reduzieren.
Massenmärkte für die PEM-Elektrolyse
Um die Technologie der Wasserelektrolyse und insbesondere die der PEM-Elektrolyse realistisch und nachhaltig in den Massenmärkten der Speicherung von erneuerbaren Energien nach dem Jahr 2020 einsetzen zu können, sind gegenüber dem Stand der Technik weitere Technologieschritte erforderlich. Optimierungspotenzial sehen die Forscher bei der noch niedrigen Leistungsdichte, der unzulänglichen Stabilität und den hohen Kosten der aktuell eingesetzten Technologien.
Ansatzpunkte des Projektes
In einer ersten Phase legen die Forscher Zielgrößen und Testmethoden fest und etablieren geeigneten Charakterisierungsverfahren. Mit ersten Arbeiten zum Benchmark von Materialien begonnen wurde.
Das Verbundvorhaben gliedert sich in drei Teilbereiche, wobei alle drei mit besonderen wissenschaftlichen/technischen Herausforderungen verbunden sind:
- Kostensenkung durch verringerte Katalysatorbeladung bzw. Substitution von Edelmetallkatalysatoren
- Membranen mit hoher Leitfähigkeit und mechanischer und chemischer Beständigkeit
- Einsatz von kostengünstigen und korrosionsstabilen Bipolarplatten und Stromverteiler
Kosten mit anderen Materialien senken
Zum Ende des Projektes sollen neue Membranen, Membran-Elektroden-Einheiten (MEEs) und ein Shortstack zur Verfügung stehen. Mit diesen wollen die Wissenschaftler das Potenzial für zukünftige PEM-Elektrolyseure aufzeigen. Sie erwarten eine zu den etablierten Elektrolyse-Techniken vergleichbare Leistungscharakteristik und die Langzeitstabilität, bei geringeren Kosten durch Verwendung kostengünstiger Materialien
Teilvorhaben
Kostensenkung durch verringerte Katalysatorbeladung bzw. Substitution von Edelmetallen: Eine wichtige Aufgabe für den Einsatz der PEM-Elektrolyse in den Massenmärkten der Energiespeicherung ist die radikale Reduktion der Platingruppenmetalle bis zur vollständigen Substitution ohne Einbußen bei der Leistung und Dauerstabilität der MEEs. In diesem Rahmen soll die Edelmetallbeladung auf 10% der aktuellen Beladungen abgesenkt werden, um die Kommerzialisierung der Technologie nach 2015 vorzubereiten.
Membranen mit hoher Leitfähigkeit und mechanischer und chemischer Beständigkeit: Eine wichtige Voraussetzung für das Erreichen der Projektziele ist es, eine Membran zu entwickeln, die eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Verbesserung der Robustheit und Lebensdauer erlaubt. Im Detail zählen zu den erforderlichen Membraneigenschaften (1) eine kleine Flächenquellung, (2) ein kleiner Flächenwiderstand, (3) ein geringer Wasser-Crossover, (4) ein geringer Gas-Crossover (H2/O2), (5) eine hohe Langzeitstabilität und (6) letztendlich auch geringe Kosten.
Separatorplatten für die PEM-Elektrolyse: Momentan beträgt der Anteil für Separatorplatten und Strom-Kollektoren in technischen Elektrolyseuren ca. 48 % der Stackkosten und 25 % der Gesamtkosten eines PEM-Elektrolysesystems. Daher steht in diesem Teilvorhaben die Kostenreduktion durch geeignete Materialauswahl, kostengünstige Herstellverfahren und geeignete Beschichtungs-technologien im Vordergrund. Des Weiteren sollen die technischen Randbedingungen für eine Aufskalierung auf größere Flächen (1.000 - 2.500 cm²) aufgezeigt werden, um später PEM-Elektrolyseure im MW-Maßstab realisieren zu können.
