Wasserstoff aus verbesserten Brennstoffzellen in Verbindung mit erneuerbaren Energien
Die Bewältigung des weltweiten Energiebedarfs auf eine nachhaltige Art und Weise, die einerseits die Abhängigkeit vom schwankenden fossilen Brennstoffmarkt und gleichzeitig die damit verbundenen Emissionen minimieren, ist eine der wichtigsten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Um jedoch eine möglichst effektive Nutzung der Überkapazitäten bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen zu ermöglichen und so Wasser zu elektrolysieren und hochreinen Wasserstoff herzustellen, müssen Herausforderungen hinsichtlich Kosten, Leistung, Stabilität und Effizienz von Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM)-Brennstoffzellen angegangen werden. Das EU-geförderte Projekt ELECTROHYPEM (Enhanced performance and cost-effective materials for long-term operation of PEM water electrolysers coupled to renewable power sources) um weit verbreitete Anwendungen im Wohnbereich und dezentrale Infrastruktur für die Wasserstofferzeugung zu fördern. Die Initiative konzentrierte sich auf kostengünstige Elektrokatalysatoren, schwache Edelmetall-Ladeelektroden und die Entwicklung robuster Membranen. Die von den Projektpartnern entwickelten Polymerelektrolyte umfassten verstärkte kurzseitenkettige, chemisch stabilisierte Perfluorosulfonat-Ionomere und sulfonierte Kohlenwasserstoffmembranen, sowie deren Komposite mit organischen Füllstoffen. Die Ziele für diese Membranen waren eine hohe Ionenleitfähigkeit, ein breiter Betriebstemperaturbereich (bis zu 150 °C) und eine bessere Beständigkeit als herkömmliche Membranen. Außerdem wollte man den mechanischen Abbau unter Hochdruckbetrieb reduzieren. Entwickelt wurden auch neuartige Elektrokatalysatoren aus Edelmetall-Mischoxiden im Nanomaßstab für Sauerstoffentwicklungsreaktionen- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen (OER und HER) zusammen mit neuartigen Nichtedelmetall-Elektrokatalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktionen. Großflächige Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) auf Basis dieser Komponenten wurden in PEM-Elektrolyseur-Prototypen validiert. Der Stapel wurde in ein System eingebaut und hinsichtlich Haltbarkeit unter stationären Betriebsbedingungen sowie bei Stromprofilen, die intermittierende Bedingungen simulieren, beurteilt. ELECTROHYPEM befasste sich mit aktuellen Hemmnissen für die breite kommerzielle Nutzung von Systemen, die erneuerbare Energiequellen mit der Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion koppeln. Die neuen Membranen und Elektrokatalysatoren werde Leistung und Haltbarkeit erheblich verbessern und gleichzeitig die Kosten verringern.
Schlüsselbegriffe
Erneuerbare Energiequellen, Elektrolyse, Wasserstoff, Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen, ELECTROHYPEM, Elektrokatalysatoren, Perfluorosulfonat-Ionomere, sulfonierte Kohlenwasserstoffmembranen, Membranelektrodenanordnungen
