Entwicklung neuartiger Zell- und Stack-Designs für PEM-Elektrolyseure im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Integrated Energy Systems CINES

Zentrale technische Lösung für die Transformation des Energiesystems ist die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, welche es ermöglicht, elektrische Energie aus volatilen, erneuerbaren Energiequellen in eine gebundene, speicherbare Energieform zu überführen, so dass diese Energie bedarfsgerecht in nachgelagerten, stofflichen Sektoren eingesetzt werden kann. Im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Integrated Energy Systems CINES entwickelt das Fraunhofer ISE zusammen mit dem Fraunhofer ICT und dem Fraunhofer UMSICHT neuartige Materialien, Komponenten und Zellkonzepte für die Protonen leitende Membran-Elektrolyse, welche mit einer sauren Membran (PEM: polymer electrolyte membrane) als Elektrolyt arbeitet. 

 Dabei fokussieren wir uns auf folgende Themenfelder:

1. Herstellung von kostenoptimierten Katalysatoren für die Kathode und Anode mit dem Ziel, entweder komplett auf Edelmetalle zu verzichten oder aber stark edelmetallreduzierte Katalysatorsysteme zu synthetisieren.
2. Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten mit strukturierten Elektroden in einem Direktdruck-Verfahren sowie Implementierung einer katalytisch aktiven Rekombinationsschicht zur Verbesserung der Gasqualität.
3. Umsetzung eines rahmenlosen Zellkonzepts zur Vereinfachung des Zellaufbaus und zur Kostensenkung durch die Anwendung automatisierter Herstellverfahren.

Schwerpunkt der Arbeiten zur Entwicklung einer rahmenlosen PEM-Elektrolysezelle waren bisher die Konzeption und Herstellung der Halbzellenverbünde auf Basis eines erteilten Patentes (DE 10 2013 225 159). Dieser Halbzellenverbund vereint die Funktionalitäten klassischer Flow Fields, poröser Transportschichten und Dichtungen mit Manifolds in einer Komponente, sodass perspektivisch automatisierte Herstellverfahren eingesetzt werden können und besteht aus einem oder mehreren metallischen Grundelementen wie Streckmetalle oder Filze, welche als poröse Strömungsverteiler dienen und polymerem Füllmaterial zur Abdichtung und zur Ausbildung der Zu- und Abströmbereiche. Dafür wurde ein umfangreiches Screening zur Auswahl geeigneter Materialkombinationen verschiedener Thermoplaste und Elastomere hinsichtlich ihrer Beständigkeit, Dichtigkeit und Einbringung in poröse metallische Strukturen durchgeführt. Zum Aufbau eines Einzellers des neuartigen Zelldesigns wurde das ursprüngliche Konzept weiterentwickelt, um mit einer reduzierten Anzahl von Dichtflächen auszukommen. Gleichzeitig wurden neue Dichtstrukturen entwickelt, um den notwendigen externen Anpressdruck signifikant verringern zu können. Die derart aufgebaute Vollzelle ist bei 10 bar gasdicht und wurde mit Referenzmaterialien erfolgreich getestet. Im Vergleich zu Referenzmessungen mit einer etablierten Standardlaborzelle performt das in CINES entwickelte Zellkonzept gleich gut oder sogar besser.

Ziel der Entwicklungsarbeiten in den ersten drei Jahren ist ein Demonstrator-Zellstapel für die PEM-Elektrolyse mit einer Zellfläche von 150 cm², in dem alle neuen Materialien und Komponenten integriert sind. Dieser Demonstrator soll dann mit Industriepartnern kommerzialisiert werden.