Innovative Forschung für effiziente AEM-Elektrolysezellen

Neben der Speicherung von elektrischer Energie in Batterien, kann auch die Umwandlung von grünem Strom zu Wasserstoff dabei helfen, die Energieerzeugung vollständig auf erneuerbare Quellen umzustellen. Elektrolyse-Systeme sind bereits industriell im Einsatz, sie haben aber noch Verbesserungspotenziale. Ein Team unseres Institut für Chemie der Kunststoffe arbeitet im Projekt AEM Neo gemeinsam mit Mitarbeiter*innen der HyCentA Research GmbH an der Optimierung von Anionen-Austausch-Membran-Elektrolysezellen (AEM-WE).

Wasserstoff ermöglicht die langfristige Speicherung von großen Mengen elektrischer Energie und könnte so einen großen Beitrag zur Umstellung unserer Stromversorgung auf erneuerbare Quellen leisten. Ein Verfahren zur Wasserstoff-Erzeugung ist die Wasserelektrolyse – der grundsätzliche Vorgang ist ganz einfach: Wasser wird in einem Elektrolyseur durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dabei wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und gespeichert. Dieser Vorgang kann schließlich zur Gewinnung von elektrischer Energie (Stromversorgung) wieder rückgängig gemacht werden. Bei diesem Verfahren sind derzeit zwei Systeme im Einsatz: alkalische Elektrolyseure und Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyseure. Beide Techniken haben aber Nachteile. So liefert die eine nur eine geringe Stromdichte und Wasserstoffqualität, die andere hat einen sehr hohen Materialbedarf und ist dadurch teuer.

Junge Technologie mit Potenzial: bessere Performance und Stabilität

Dies möchte das Projektteam nun ändern und forscht an der Optimierung von Anionen-Austausch-Membran-Wasserelektrolyse (AEM-WE), einer vergleichsweise jungen Technologie, welche die Vorteile der beiden konventionellen Methoden verknüpft. Durch das Projekt AEM Neo soll ein entscheidender Schritt in Richtung höherer Performance und Langlebigkeit getan werden. Der Fokus liegt dabei auf der Optimierung der Membran-Elektroden-Einheit (MEA), dem Herzstück der Wasserelektrolysezelle. Für die konventionellen Technologien gibt es bereits ausgereifte Membranen und Ionomere bzw. Binder. Dabei handelt es sich um die ionenleitenden Komponenten, mit denen Wasserstoff und Sauerstoff in der Zelle getrennt werden können. Gerade aber diese Binder sind für den Einsatz bei AEM-WE nicht ideal. Im Projekt werden neue Bindermaterialien entwickelt und passende Herstellungsverfahren für die gesamte AEM-WE Zelle untersucht. Dafür steht in den Labors des Instituts für Chemie der Kunststoffe die nötige Infrastruktur zur chemischen Modifizierung und Charakterisierung der Bindermaterialien zur Verfügung, und HyCentA verfügt über hochmoderne Prüfanlagen zur Testung der neu entwickelten Elektrolysezellen.

Das Material der Wahl für die ersten Versuche ist kommerziell erhältliches Polytetrafluorethylen (PTFE). PTFE ist ein universell einsetzbares Polymer, und äußerst beständig gegen Säuren, Basen, Alkohole usw. Da PTFE chemisch inert ist, ist es jedoch von selbst nicht ionenleitfähig und daher als Binder in der AEM-WE Membran nicht geeignet. Um dies zu ändern, wird PTFE am Institut für Chemie der Kunststoffe chemisch so modifiziert, dass protonierbare Gruppen an die Oberfläche aufgebracht werden, welche die gewünschte Ionenleitfähigkeit gewährleisten. Zusätzlich wird dadurch auch die Benetzbarkeit erhöht und somit das Anhaften von Gasblasen verringert. Dies wird mit verschiedenen Plasma-basierten Methoden und anschließender nasschemischer Behandlung erreicht. Schließlich wird der modifizierte Binder zur Herstellung einer AEM-WE Zelle verwendet und der Einfluss verschiedener Parameter, wie z.B. das Mengenverhältnis zwischen Binder und Katalysator auf die Zell-Perfomance untersucht.

Projektname: AEM Neo – Novel Efficient Organic binder materials for AEM water electrolysis
Förderangaben: Zukunftsfonds des Landes Steiermark (NEXT GREEN TECH)
Projektpartner:HyCentA Research GmbH, Institut für Chemie der Kunststoffe an der Montanuniversität Leoben