Die AEM-Elektrolyse zur Herstellung von grünem Wasserstoff konnte sich bislang nicht durchsetzen. Mit einer innovative Nickel-Mangan-Verbindung als OER-Katalysator soll das Herstellungsverfahren weiterentwickelt werden.
Um mittels AEM-Elektrolyse grünen Wasserstoff im Industriemaßstab zu gewinnen, wollen Forscher im Projekt HighHy eine innovative Nickel-Mangan-Verbindung als OER-Katalysator einsetzen. Die kostengünstigen und gut verfügbaren Rohstoffe bieten eine vielversprechende chemische Aktivität. Die Elektrolyse mittels Anionenaustauschmembranen (Anion Exchange Membran, AEM) ist gegenüber der alkalischen Elektrolyse (AEL) und der Elektrolyse mit einem Protonenaustauschmembran-Elektrolyseur (Proton Exchange Membrane, PEM-EL) eine vergleichsweise junge Methode. Sie soll die Vorteile der AEL (hohe Langzeitstabilität und Einsatz von gut verfügbaren und kostengünstigen Metallen) mit denen der PEM-EL vereinen, die mit höherer Leistung, der Anpassbarkeit an unterschiedliche Lasten und der Gasreinheit punktet. Da die in der AEM stattfindende Sauerstoff-Entwicklungs-Reaktion (Oxygen Evolution Reaction, OER) bei Verwendung von Nicht-Edelmetallen mit zu geringer Geschwindigkeit abläuft, konnte sich diese Methode der Elektrolyse bislang nicht durchsetzen.
Die benötigte Zellspannung der Wasser-Elektrolyse für die angestrebten Stromdichten und somit der Energiebedarf für die Wasserstoffherstellung ist dabei immer noch sehr hoch. "Zusammen mit drei neuseeländischen Universitäten und der Universität Bayreuth suchen wir nach der idealen Zusammensetzung für die benötigten Katalysatoren", sagt Dr. Christian Bernäcker, Leiter der Arbeitsgruppe Elektrochemische Technologie am Fraunhofer IFAM Dresden. Neben der elektrochemischen Aktivität des Katalysators gilt es, die elektrische Kontaktierung der Elektroden sowie den Elektrolytfluss zu optimieren und dabei die Gasblasen von der Elektrode vorteilhaft abzuleiten. Die porösen Strukturen beim Einsatz von Nickel-Mangan-Pulver für die Beschichtung sollen die für die Sauerstoffentstehung notwendige elektrische Energie verringern und somit die Effizienz der AEM-Elektrolyse steigern.
Effizientere und günstigere H2-Produktion
Das Potential für die AEM-EL schätzen die Forscher recht hoch ein: Sie soll rund 80 % Effizienz und damit ähnliche Werte erreichen wie die bisher etablierten Verfahren AEL und PEM-EL. Und das bei deutlich höherer Flexibilität hinsichtlich gefahrener Lasten und Einsatzorte sowie geringeren Materialkosten. Heruntergerechnet auf den entstehenden Wasserstoff läge das Preisziel für die Anschaffungskosten des AEM-Elektrolyse-Systems bei etwa 300 Euro je installiertem Kilowatt, wohingegen die PEM-EL bei rund 500 Euro und die alkalischen Elektrolyse bei 400 Euro rangiert, so die Forscher. Das Projekt HighHy wird im Rahmen der "Forschungskooperation Grüner Wasserstoff mit Neuseeland" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
