Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung von kostengünstigen und nachhaltigen Elektrodensystemen auf Basis von optimierten Iridium/Titanoxid-Schichten für den Einsatz in der PEM-Wasserelektrolyse

Im Rahmen der Energiewende ist eine Erweiterung der in das Verbundnetz integrierten Energiespeicher notwendig, um zukünftig die Versorgungssicherheit trotz eines sehr hohen Anteils volatiler regenerativer Energieerzeugungsanlagen zu ermöglichen. Wasserelektrolyseure auf Basis von Polymerelektrolytmembranen (PEM) sind eine effiziente Technologie zur Energiespeicherung durch Wasserstoffproduktion. Aufgrund hoher Elektrodenpotentiale und damit einhergehenden Korrosion werden heute, insbesondere auf der Anode, aufwändige Titanstrukturen und kostenintensive Iridiumkatalysatoren verwendet.

Im Vorhaben IT-PEM soll eine neuartige Elektrodenstruktur für die Anwendung als Anode in PEM-Wasserelektrolyseuren entwickelt und erforscht werden. Durch vorteilhafte Präparationsverfahren soll erreicht werden, dass Elektrodensysteme mit bis zu 90% geringerem Katalysatoranteil und hierdurch kostengünstiger als heute üblich hergestellt werden können. Der innovative Ansatz beruht auf einer optimierten Elektrodenarchitektur, die mittels einer Titanoxidschicht mit verbesserter Leitfähigkeit erzeugt und in ein Streckmetall-System aus Titan integriert wird. Die eingebrachte Titanschicht dient hierbei als Träger für (elektro-)chemisch abgeschiedene Ir-Nanopartikel. Durch den optimierten Schichtaufbau kann das eingesetzte Katalysatormaterial effektiver genutzt und das Investitionsvolumen für PEM-Elektrolyseure insgesamt reduziert werden. Die Reduktion des Edelmetalleinsatzes und eine vereinfachte Zellstruktur werden aufgrund des verringerten Investitionsbedarfs insbesondere KMU in die Lage versetzen diese Technologie erfolgreich zu vermarkten und neue Geschäftsfelder zu etablieren.

Das Projektziel ist die Entwicklung eines Demonstrator-Elektrodensystems zum Einsatz als Anode einer Wasserelektrolyse. Die zu entwickelnden Elektroden sollen mit kommerziell verfügbaren Membranen sowie auf Graphit basierenden Elektroden (nur Kathode) durch KMU zu Membran-Elektroden-Einheiten integriert werden.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Vorhaben wurde der Ansatz adaptiert auf ein Titanstreckgittersystem eine leitende Trägerschicht aus unterstöchiometrischen Titanoxid-Nanopartikeln aufzubringen und zu sintern, so dass einerseits eine ausreichend glatte und andererseits aufgrund der Nanostrukturierung eine große Oberfläche für die galvanische Abscheidung von Iridium-Katalysatorpartikeln entsteht.

Die Herstellung der Titanoxid-Nanopartikel erfolgte mittels Pyrolyse in einem Flammenreaktor im Technikumsmaßstab. Dazu wurden geeignete Prozessparameter erarbeitet und unter fetten Verbrennungsbedingungen eine unterstöchiometrische Phase des Titanoxids hergestellt. Durch eine thermische Nachbehandlung des erzeugten Pulvers unter reduzierender Atmosphäre wurde die Leitfähigkeit des Materials weiter verbessert. Der Auftrag der Schicht aus Nanopartikeln auf Titanstreckgittersysteme erfolgte mittels Sprühverfahren, dazu mussten die TiO-Nanopartikel in Dispersion überführt werden. Die Fixierung der nanoporösen Trägerschicht erfolgte durch ein Laser- Sinterverfahren, wodurch die elektrische Anbindung der Partikelschicht an den Untergrund gewährleistet werden konnte. Durch diese Präparationsschritte wurde das Substrat zur galvanischen Abscheidung der Katalysatorpartikel befähigt. Da kein kommerziell verfügbarer Irdiumelektrolyt auf dem Markt verfügbar ist, wurde ein geeigneter Elektrolyt im Rahmen dieses Vorhabens entwickelt. Die Abscheidung von Iridium auf den Trägerstrukturen wurde erfolgreich durchgeführt. Die Elektrodensysteme wurden erfolgreich elektrisch und morphologisch charakterisiert. Die Ergebnisse wurde in das Folgeprojekt IT-PEM 2.0 weitergegeben, welches insbesondere Skalierungsprozesse zum Aufbau von Elektrolyseuren zur Wasserstofferzeugung betrachtet.