SCHLÜSSEL­FAKTOR MEMBRAN

Ein Problem der AEL-Elektrolyse: Da das Diaphragma porös ist, also Gase durchlässt, können die Anlagen nur eingeschränkt unter Druck betrieben werden. Der Wasserstoff muss also unter hohem Energieaufwand komprimiert werden, damit er gespeichert und weiter­transportiert werden kann. Die poröse Membran kann außerdem nur bei geringen Stromdichten betrieben werden: Maximal 600 Milliampere pro Quadratzentimeter Membranfläche hält das Diaphragma aus. Mehr als dreimal so viel, nämlich 2.000 Milliampere pro Quadratzentimeter Membranfläche, schafft das andere etablierte Verfahren, die PEM-Elektrolyse (kurz für Proton Exchange Membrane). Was in der Praxis bedeutet: Für die gleiche Menge Wasserstoff genügt ein deutlich kleinerer Elektrolyseur.

Bei der PEM-Elektrolyse fungiert die Membran nicht einfach nur als Trennschicht. Sie ersetzt vielmehr das gesamte Bad, weil sie aus einem elektrisch leitfähigen Polymer besteht, durch das Ionen wandern können. Die Elektroden liegen direkt auf der Membran auf. Das zu spaltende Wasser fließt über die Anode, die freigesetzten Wasserstoffionen wandern von der Anode durch die Membran auf die Kathodenseite, wo sie sich zu Wasserstoffmolekülen vereinen. Ein PEM-Elek­tro­lyseur wird nicht nur bei höheren Stromdichten betrieben als eine AEL-Anlage, er hält auch größere Lastschwankungen aus. Und da er unter Druck betrieben werden kann, wird nachher weniger Energie für die Wasserstoffkompressoren benötigt.

So groß die technischen Vorteile sind – die hohen Investitionskosten für eine PEM stellen eine erhebliche Markteintrittshürde dar: „PEM-Zellen arbeiten im sauren Milieu, erfordern also sehr robuste Materialien“, sagt Conradi. „Für die Katalysatoren benötigt man Edelmetalle wie Platin und Iridium, für die Zellen Titan oder sogar platiniertes Titan. Beim Stand der Technik rechnet man pro Kilowatt Leistung Investitionskosten von mindestens 1.000 €.“

Hier kommt der Hoffnungsträger AEM ins Spiel: 500 bis 600 € pro Kilowatt stehen als mittelfristiges Entwicklungsziel im Raum. Die Bauweise einer AEM-Zelle entspricht der einer PEM-Zelle, auch sie kann unter Druck und mit hoher elektrischer Leistung betrieben werden. Auch hier ist das Herzstück eine Membran aus einem ionenleitenden Polymer . Auf beiden Seiten liegen Elektroden auf, welche mit Katalysatorpartikeln beschichtet sind. „Aber bei der AEM können wir dafür signifikant günstigere edelmetallfreie Materialien wie Nickel verwenden“, sagt Conradi. Denn das Verfahren arbeitet im alkalischen Milieu: Die Wasserspaltung findet wie beim AEL-Verfahren auf der Kathodenseite statt. Aus zwei H2O-Molekülen entstehen ein Wasserstoffmolekül und zwei Hydroxidionen (OH—); das Hydroxidion wandert durch die Membran zur Anode und reagiert dort zu Sauerstoff und Wasser (siehe Grafik auf der folgenden Seite).

Diese Kombination zu realisieren bedeutet eine Heraus­forderung. „Auch eine alkalische Umgebung ist aggressiv“, sagt Alejandro Oyarce Barnett vom norwegischen Forschungsinstitut SINTEF, das die Partner für CHANNEL ausgesucht hat und das Konsortium ­koordiniert. „Es ist nicht trivial, eine Membran zu ­entwickeln, die unter diesen Bedingungen arbeitet. Weltweit können das nur sehr wenige Firmen, und Evonik spielt hier ganz vorn mit.“

SINTEF arbeitet ähnlich wie die deutsche Fraun­hofer-­Gesellschaft: Nur ein Teil des Etats kommt aus Staatsmitteln, das Geschäftsmodell beruht auf Kooperationen und Förderprojekten, bei denen wirtschaftlich verwertbares geistiges Eigentum entsteht. SINTEF will nun den Bau einer Zwei-Kilowatt-Anlage vorantreiben. Ein erster Schritt, so Barnett: „Wenn die funktioniert, dann ist es nur logisch, an eine 100, 200 oder sogar 500 Kilowatt starke Anlage zu denken.“

Zwar übertreffen die Membranen aus dem Creavis-­Labor bereits jetzt die meisten selbst gesteckten Zielwerte, aber noch arbeiten die Teams mit Prototypen etwa im DIN-A4-Format. Bevor das Material serienmäßig in Endlosbahnen produziert werden kann, muss das Creavis-Team unter anderem noch das Beschichtungsverfahren optimieren und skalieren: In einer Pilotanlage wird noch in diesem Jahr getestet, wie im Rolle-zu-Rolle-­Verfahren eine gleichbleibend hohe Qualität gesichert werden kann. Seit einigen Jahren forscht die Creavis gemeinsam mit den Experten des Bereichs High ­Performance Polymers an ionenleitenden Membranen für die Elektrochemie und konnte umfassendes Know-how in diesem Gebiet aufbauen. „Das Wissen um die Polymerchemie auf diesem Gebiet ergänzt hervorragend unsere Kenntnisse bei Membranen zur Gas- und Flüssigkeitstrennung“, sagt Goetz Baumgarten, bei Evonik für das Innovationswachstumsfeld Membranen verantwortlich.

In der Entwicklungsphase wurde viel Vorarbeit geleistet. So arbeitet die Creavis bereits seit einer Weile an ionenleitenden Membranen für die Elektrochemie, ein ­weiteres zukunftsträchtiges Feld neben den Hohlfasermembranen, die bisher das Geschäft prägen. „Man braucht hier zum Beispiel ganz neue Methoden und Kompetenzen, um die Eigenschaft der Membranen zu messen“, sagt Conradi.

Noch geht es darum, die Performance der Membran weiter zu optimieren. „Ein wichtiger Faktor für den Wirkungsgrad ist zum Beispiel der Kontaktwiderstand zwischen der Membran und der Elektrode“, sagt Conradi. „Damit dieser möglichst klein wird, brauchen wir einen guten ionenleitenden Kontakt zwischen den beiden. Wir müssen also nicht nur die Membran weiter optimieren, sondern auch eine maßgeschneiderte Beschichtung entwickeln, die auf diese Membran aufgebracht wird.“ Das Ziel der Partner im Channel-Projekt: ein ganzes ­System zu entwickeln, mit dem Elektrolyseurhersteller wie Enapter beliefert werden können.

Projektleiter Barnett rechnet damit, dass eine Reihe von Membran- und Elektrodenformulierungen erprobt werden muss, bis die optimale Kombination gefunden ist – inklusive der richtigen Katalysatorsysteme, die vom Forschungszentrum Jülich und der Technisch-Natur­wissenschaftlichen Universität Norwegens (NTNU) entwickelt werden.

„Bei der Formulierung der Elektrodenpasten hilft uns sehr, dass die Evonik-Kollegen über ein großes Wissen über Polymere und deren Eigenschaften verfügen“, sagt Barnett. Das Team fängt also nicht bei null an, sondern kann aus erprobten Bausteinen schnell neue Materialien entwickeln und testen.

Jede neue Formulierung der Membran-Elektroden-­Einheit (Membrane Electrode Assembly, kurz MEA) wirkt sich wieder auf die Konstruktion der Zelle aus, von denen am Schluss fünf zu einem sogenannten Stack kombiniert werden sollen. Da sind zum Beispiel die Bipolar­platten, massige Metallkonstruktionen, die die Membran-Elektroden-Einheit von beiden Seiten umschließen und den Zu- und Abfluss von Flüssigkeit und Gasen lenken. Oder die porösen Transportschichten auf den Elektroden, durch die das Gas abgeleitet wird. „Das ist eine Schlüsselkomponente, die es derzeit nicht auf dem Markt gibt“, sagt Barnetts Kollegin ­Thulile Khoza. „Wir bauen zwar auf den Erfahrungen aus dem Bau von PEM-Zellen auf, aber wir arbeiten mit ganz anderen Materialien und müssen hier ständig Leistung und ­Kosten abwägen.“

Getestet werden die neuen Module in Enapter-­Anlagen. „Wir können neue Materialien im kleinen Maßstab testen und dann schnell in größerem Stil einsetzen“, sagt Jan-Justus Schmidt. So könnte aus einer privaten Technikspielerei ein Produkt entstehen, das die Welt erobert.

Hoher Druck und eine aggressive Umgebung: Das AEM-Verfahren stellt enorme Anforderungen an das Material. Damit die Wasserstoff­produk­tion unter kontrollierten Bedingungen stattfinden kann, bestehen Elektro­lyseure aus vielen einzelnen Zellen, die zu Stacks (engl. für Stapel) in Reihe geschaltet werden. In diesen Zellen findet die eigentliche Reaktion statt, bei der Wasserstoff und Sauerstoff abgespalten werden.

Das Herzstück des Elektrolyseurs ist die Membran aus einem Polymer, das Hydroxidionen durchlässt, nicht aber den entstehenden Wasserstoff.

Die Elektrodenschicht (Bild im Kreis unten) besteht ebenfalls aus einem ionenleitenden Polymer, in das metallische Katalysatorpartikel eingearbeitet sind.

umschließt die Membran-Elektroden-Einheit und ist mit Kanälen für den Wasser- und Gastransport durchzogen.

Die Gase, die an den Elektroden entstehen, werden über eine Schicht porösen Materials abgeleitet.

stellt sicher, dass Gas und Wasser nur durch die vorgesehenen Kanäle ein- und austreten.

Fotos: Mauritius images/Science Source/GIPhotoStock, Enapter (3), Dieter Debo (3)

Illustrationen: Henrik Abrahams mit Fotovorlagen von Evonik, Enapter

Infografik: Maximilian Nertinger