(Freiburg / Deutschland) – Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE forscht an skalierbaren Produktionsverfahren, um die Material- und Herstellungskosten für PEM-Elektrolyseure zu senken. Den Wissenschaftlern ist es jetzt eigenen Angaben zufolge gelungen, ultrafeine poröse Transportschichten aus Titan herzustellen.
Die Paste aus Titanpulver, Lösemittel und Additive wird auf dem Drucksieb aufgetragen. Im Anschluss wird die Paste durch das Sieb als dünne mikroporöse Schicht auf ein Titanfasersubrat aufgebracht. © Fraunhofer ISE / Joscha Feuerstein
PEM-Elektrolyseure können mit hoher Stromdichte und flexiblem Stromangebot aus erneuerbaren Energien betrieben werden. Zentral für ihre Leistung seien neben der katalysatorbeschichteten Membran die porösen Transportschichten (porous transport layers, PTL), so das Fraunhofer ISE: „Als ,Lunge‘ der katalysatorbeschichteten Membran sind die PTL unter anderem für den Transport von Wasser und Gasen zuständig“, sagt Projektleiter Stefan Bercher. Die Optimierung der PTL und ihrer Oberflächeneigenschaften sei „ein großer Hebel für Kostensenkungen und Leistungssteigerungen“ in der PEM-Elektrolyse. „Daher rückt diese Schicht verstärkt in den Fokus unserer Forschung.“
Kontrolle der Dicke und Struktur per Siebdruck
Für die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften würden feinporige Titanschichten (microporous layers, MPL) zwischen PTL-Schicht und katalysatorbeschichteter Membran aufgebracht. Sie ermöglichten „dank ihrer geringen Oberflächenrauigkeit die Verwendung von Katalysatorschichten mit deutlich reduzierter Iridium-Beladung, da sie die Katalysatoranbindung und somit -ausnutzung erheblich verbessern“. Für den Druck der ultrafeinen MPL-Strukturen setzt das Fraunhofer ISE auf das Siebdruckverfahren. Dieses erlaube „eine präzise Kontrolle der Dicke und Struktur der Schichten“.
Ziele der Projektgruppe des Fraunhofer ISE waren, die titanbasierten MPL „optimal auf die zu kontaktierende Katalysatorschicht abzustimmen und möglichst fein auszuführen“, da diese Metalle zu den Hauptkostenfaktoren in Elektrolyseuren zählen. In Testreihen untersuchten die Forscher, ob mit mikroporösen Transportschichten beschichtete PTL bessere Ergebnisse als kommerziell erhältliche erzielen. Bei der Charakterisierung der auf eine grobe PTL aufgedruckten MPL-Schicht wurden insbesondere die Oberflächenrauigkeit und die Leistungsfähigkeit gemessen. „Wir konnten sehr feine Schichten von etwa 20 µm Stärke drucken und die Oberflächenrauheit um 46 Prozent reduzieren“, so Stefan Bercher. „Dies verbessert die Kontaktierung der Katalysatorschicht, in der die Beladung mit dem teuren Edelmetall Iridium immer weiter reduziert wird.“
Nun ist das Forschungsteam auf der Suche nach Industriepartnern für die weitere Optimierung und Anpassung auf kundenspezifische poröse Transportschichten.
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Mikroporöse Schicht auf einem Titanfasersubrat nach dem Siebdruckprozess. In einem anschließenden Schritt werden die beiden Schichten versintert. Die mikroporöse Schicht mit einer reduzierten Oberflächenrauheit ermögliche ein optimiertes Interface zur Katalysatorschicht. Dadurch könne die Katalysatorbeladung mit Iridium reduziert werden und dünnere Membranen seien möglich, so die ISE-Wissenschaftler. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein
