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Alkalische Membran-Elektrolyseure

Wasserstoff ohne seltene Erden produzieren

29. Oktober 2024, 7:51 Uhr | Iris Stroh

Die AEM Wasserelektrolyseur-Zelle arbeitet mit einer neu entwickelten Membranelektrodeneinheit (MEA), die mit einem schichtstrukturierten Nickel-basierten Anodenkatalysator direkt beschichtet ist.

Ein Team der Technischen Universität Berlin, des HZB, des IMTEK (Universität Freiburg) und von Siemens Energy hat einen alkalischen Membran-Elektrolyseur entwickelt, der eine Leistungsfähigkeit erreicht, die mit der etablierter PEM-Elektrolyseure vergleichbar ist.

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Das Besondere daran ist, dass der Anodenkatalysator aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus Iridium besteht. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse im Detail aufklären. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Prototyp-Zellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.

Wasserstoff soll im Energiesystem der Zukunft eine große Rolle spielen, als Energiespeicher, Brennstoff und wertvoller Rohstoff für die Chemie-Industrie. Denn Wasserstoff lässt sich nahezu klimaneutral durch Elektrolyse von Wasser erzeugen, sofern diese mit Strom aus Sonne oder Wind geschieht. Der Hochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft wird aktuell maßgeblich von zwei Systemen bestimmt: der protonenleitenden Membranelektrolyse (PEM) und der klassischen alkalischen Elektrolyse. AEM-Elektrolyseure kombinieren die Vorteile beider Systeme, benötigen aber beispielsweise keine seltenen Edelmetalle wie Iridium.

Nun haben Forschungsteams aus TU Berlin und HZB gemeinsam mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Uni Freiburg und Siemens Energy erstmals einen Elektrolyseur vorgestellt, der fast genauso effizient Wasserstoff produziert wie ein PEM-Elektrolyseur. Statt auf Iridium setzten sie auf Nickel-Doppelhydroxidverbindungen mit Eisen, Kobalt oder Mangan und entwickelten ein Verfahren, um eine alkalische Ionenaustauschmembran damit direkt zu beschichten.

Die erfolgten Untersuchungen haben das Verständnis der fundamentalen Katalyse Mechanismen der neuen Nickelbasierten Elektroden-Materialien signifikant erweitert. Außerdem verspricht das neu entwickelte Beschichtungsverfahren der Membranelektrode eine sehr gute Skalierbarkeit. Eine erste vollfunktionsfähige Kleinzelle wurde am IMTEK bereits getestet. Damit legen die Arbeiten die Grundlage für eine industrielle Evaluierung und demonstrieren, dass auch ein AEM-Wasserelektrolyseur hocheffizient sein kann.