Neben weiteren Innovationen für die Wasserstoffwirtschaft präsentiert das Fraunhofer ISE auf der Hannover Messe vom 22. bis 26. April 2024 in Halle 13, Stand C41 MEAs, die im Siebdruck- oder Schlitzdüsenverfahren hergestellt wurden sind.

Unter den verschiedenen Elektrolysetechnologien ist die Protonenaustauschmembran (PEM)-Elektrolyse von besonderem Interesse, da sie mit höheren Stromdichten betrieben werden kann als die alkalische Wasserelektrolyse und die Festoxid-Elektrolyse. Darüber hinaus eignet sich die PEM-Elektrolyse aufgrund ihrer hohen Flexibilität, d.h. ihrer kurzen Anfahrzeit und ihres großen Lastbereichs, hervorragend zum dynamischen Ausgleich von Stromnetzen. Für die zeitnahe Hochskalierung dieser Technologie sind allerdings noch Forschungsanstrengungen zur Erhöhung des Wirkungsgrads und zur Senkung der Herstellungskosten nötig.

Die MEA, bestehend aus der Protonenaustauschmembran und zwei Katalysatorschichten, ist die zentrale Komponente einer Elektrolysezelle und trägt zu einem Großteil der Stackkosten bei. »Besonderer Kostentreiber ist die Anoden-Elektrode, die das seltene und teure Edelmetall Iridium als Katalysatormaterial enthält.« erklärt Tom Smolinka, Abteilungsleiter für Elektrolyse und Wasserstoff-Infrastruktur. »Für einen Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft muss die Produktionsforschung von MEAs auf Basis industrieller und innovativer Herstellungsprozesse unter Beibehaltung eines ressourcenschonenden Materialeinsatzes erfolgen.«, so Smolinka weiter.

Die Iridium-Beladung einer Katalysatorschicht steht in direktem Zusammenhang mit den Leistungswerten einer MEA. »Wir konnten nun zeigen, dass bei beiden Beschichtungstechnologien Katalysatorschichten mit Beladungen von 0,3 mg Iridium pro Quadratzentimeter vergleichbare Leistungswerte erzielen.« erklärt Jerónimo Horstmann de la Vina, Forscher im Produktionslabor für Brennstoffzellen- und Elektrolyseforschung. »Mit diesem Wert werden die strengen Vorgaben des US Department of Energy erfüllt.«

Die Forschenden sind zusätzlich nun in der Lage, mit Siebdruck auf einer Fläche ca.
400 cm² zu drucken. »Auch das trägt zur Senkung der Herstellungskosten bei.« erklärt Horstmann de la Vina, »denn so können Hersteller zügiger produzieren.« Die Vergrößerung der bedruckbaren Fläche und die Senkung der Iridium-Beladung ist Inhalt weiterer Forschung. Das so generierte Know-how soll deutschen Unternehmen aus dem Anlagenbau, der Materialherstellung und Energiebereich helfen, eine Spitzenposition im international umkämpften Markt der MEA-Produktion einzunehmen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE forschen im Rahmen diverser nationaler und internationaler Projekte seit 2019 zur Entwicklung einer großskaliegen Produktion von Membran-Elektroden-Einheiten, die sowohl in Elektrolyseuren als auch in Brennstoffzellen ihren Einsatz finden. Ein Schwerpunkt liegt auf der Reduzierung von Katalysatormaterialien und auf Qualitätssicherungsmethoden.

 

 

Auf der Hannover Messe werden am Stand des Fraunhofer ISE in Halle 13 noch weitere Innovationen vorgestellt: 

Die AEM-Laborelektrolysetestzelle zur In-situ-Charakterisierung neuer Materialien ist eine Weiterentwicklung des bewährten PEM-Elektrolysetestzellen-Designs und dient der präzisen Charakterisierung und Qualifizierung verschiedener Komponenten wie Membranen, porösen Transportschichten und Katalysatoren. 

Das 3D-Exponat »Wasserstoff-Infrastruktur« zeigt als sogenannte Modellregion ein lokales H2-Ecosystem mit Anschluss an eine überregionale H2-Pipeline und regionaler H2-Erzeugung, -Verteilung und -Speicherung. 

Das Power-to-X (PtX) Konzept basiert auf der Umwandlung von erneuerbarer Energie in flüssige Kraftstoffe und Chemikalien wie Methanol, Ammoniak, Dimethylether (DME) oder Oxymethylenether (OME). Der PtX-Cube des Fraunhofer ISE auf der Hannover Messe zeigt diese verschiedenen wasserstoffbasierten Energieträger in Bezug auf ihre relative Energiedichte im Vergleich zu drucklosem und komprimiertem Was-serstoff. 

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer ISE geben zudem Einblick in ihre Arbeit während öffentlicher Vorträge und Standführungen.

 

Vortrag »Hydrogen in series: electrolysis | reforming | reliability | fuel cells«

Prof. Dr. Christopher Hebling, Dr. Tom Smolinka, Fraunhofer ISE
23. April, 11:00 bis 12:00 Uhr, Technical Forum, Halle 13, Stand A30, Veranstaltungssprache englisch

 

Standführungen am Messestand des Fraunhofer ISE

22. April bis 26. April, täglich 10:00 bis 10:30 Uhr, täglich wechselnde Themen, Veranstaltungssprache englisch

Monday

Characterization of materials and components – AEM electrolysis cell developed at Fraunhofer ISE
What impact do new types of materials, operating modes and external influences have on electrolyzers?

Tuesday

Series production of fuel cell membranes – variety of in-house manufactured MEAs for mobile PEM fuel cells
How can the production of membrane electrode assemblies for fuel cells and electrolyzers be transferred to series production?

Wednesday

H2 Infrastructure – Regional production, distribution & storage
Where, when and how can hydrogen and its derivatives be produced, used, stored and transported in order to reach the right application at the right time and under the right economic conditions?

Thursday

Hydrogen-based energy carriers – Fraunhofer ISE’s PtX Cube
Which hydrogen-based storage medium is the most efficient? How can synthesis, transportation and reforming be made particularly sustainable?

Friday

Scaling up the production of electrolyzer membranes – value chain of MEAs for electrolyzers
What influence does process design, materials and component design have on costs, quality and performance?