Prometheus – Protonen-Austausch-Membran Elektrolyseurkonzept für erhöhte Temperaturen und Druckzustände

Die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse ist ein zentrales Element der Sektorkopplung. Es verbindet die elektrische Welt der Stromerzeugung durch erneuerbare Energien mit der stofflichen Welt der Anwendungssektoren Industrie, Verkehr und Wärme und ist damit ein wichtiger technischer Ansatz zur Erreichung der Klimaschutzziele bis zum Jahr 2050. Mit Verabschiedung der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung im Juni 2020 wird die Bedeutung der Elektrolyse massiv unterstrichen und sowohl Deutschland als auch weitere europäische Staaten haben sich ambitionierte Ausbauziele im hohen GW-Bereich bis zum Jahr 2030 gesetzt. Die Wasserelektrolyse ist ein erprobtes und robustes Verfahren, jedoch steht die Elektrolyseindustrie nun vor der Herausforderung, die Technologie für die aktuellen Anforderung fit zu machen und Komponenten und Verfahren für die großvolumige Herstellung zu entwickeln.

Unter der Leitung des Elektrolyseherstellers Hoeller Electrolyzer GmbH (Koordinator) hat sich ein erfahrendes Industriekonsortium bestehend aus der Element 22 GmbH, iChemAnalytics GmbH und der Aalberts Surface Treatment GmbH mit dem Ziel gebildet, einen neuartigen Zellstapel für die PEM-Elektrolyse mit erweiterten Betriebsfenster zu entwickeln. Das Fraunhofer bringt in diesem Vorhaben seine langjährige Forschungs- und Entwicklungsperspektive auf dem Gebiet der PEM-Elektrolyse ein und verstärkt das Konsortium bei ausgewählten wissenschaftlich-technischen Fragestellungen.

Kernthema des Verbundvorhabens ist die Entwicklung eines Zellstapels für die PEM-Elektrolyse, der bei erhöhten Temperaturen bis zu 120 °C und erhöhten Drücken bis zu 80 bar arbeiten kann und damit in der Lage ist, neue Anwendungsfelder für die Elektrolyse zu erschließen. Die Entwicklungsarbeiten fließen in die Stackplattform »Prometheus« der Hoeller Electrolyzer ein und sollen damit das Produktportfolio der Firma erweitern.

Das Fraunhofer ISE beschäftigt sich bereits seit über 30 Jahren mit der PEM-Elektrolyse und unterstützt das Industriekonsortium in diesem Vorhaben auf verschiedenen Gebieten der Komponenenqualifizierung und Stackentwicklung. Die individuellen Forschungsziele bestehen hierbei

a) in der Herstellung einer neuartigen Messzelle zur Materialtestung im oben genannten Betriebsfenster

b) in der Etablierung von standardisierten Messprozeduren bei hohen Temperaturen und Drücken, mithilfe derer geeigneter Materialien und Materialkombinationen für den Einsatz bei hohen Temperaturen und Drücken identifiziert werden können

c) In der Langzeitcharakterisierung von Short-Stacks und damit in der Identifizierung von wesentlichen Degradationseffekten der neuentwickelten Stackplattform im erweiterten Betriebsfenster.

Neben diesen Forschungszielen unterstützt das Fraunhofer ISE die Industriepartner im Designprozess und in der Spezifizierung einzelner Zellkomponenten, sowie in weiteren Aspekten der Stack und Systemintegration.