PEM-Elektrolyse gelingt auch ohne teures Titan

Ein Fraunhofer-Institut kann Titan in Elektrolyseuren durch Kohlenstoff ersetzen. Das würde vor allem die Kosten von grünem Wasserstoff senken.

Die Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse, kurz PEM-Elektrolyse, gilt als ein vielversprechender Weg zu grünem Wasserstoff. „Allerdings ist sie momentan noch wenig wirtschaftlich. Ein Grund: Eine ihrer Schlüsselkomponenten – die Bipolarplatte – besteht in der Regel aus Titan“, so das Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht in einer Mitteilung. Titan gehört zu den kritischen Rohstoffen, die nur außerhalb Europas beschafft werden können. Zudem macht es den größten Teil der Kosten für den Brennstoffzellenstack aus.

Ein Forschungsteam des Fraunhofer Umsicht und der Ruhr-Universität Bochum (RUB) haben jetzt eine preiswerter Alternative gefunden: eine Bipolarplatte aus Kohlenstoff, der in eine Kunststoffmatrix eingebunden ist. Das haben sie just im Fachartikel „Bipolar Plates in PEM Water Electrolysis: Bust or Must?“ in der Zeitschrift „Advanced Energy Materials“ veröffentlicht.

Im Kern haben sie herausgefunden, dass die Bipolarplatte auf Kohlenstoffbasis eine Alterungsrate im niedrigen Bereich von µV/h hat und damit eine vielversprechende Leistung zeigt. „Damit kann sie durchaus mit Titan-Bipolarplatten konkurrieren und stellt eine wesentlich kostengünstigere Alternative dar. Ein weiterer Vorteil: Aufgrund ihrer Materialeigenschaften wie der Verschweißbarkeit ermöglicht sie ganz neue Designs für PEM-Elektrolyseure“, heißt es weiter. Jetzt gelte es, das neue Material weiter zu untersuchen und zu optimieren, um die Kosten der Elektrolyse weiter zu senken und so die Produktion von grünem Wasserstoff wirtschaftlicher zu gestalten.

PEM-Elektrolyse ohne kritischen Rohstoff Titan machbar

Titan ist nicht umsonst bisher das Material der Wahl bei der PEM-Elektrolyse. Zeigt es doch eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit unter den Einsatzbedingungen, zum Beispiel einer sauren und oxidierenden Umgebung. Das Forschungsteam untersuchte eine neue kohlenstoffbasierte Bipolarplatte, entwickelt und patentiert beim Fraunhofer Umsicht. „Sie besteht aus einer thermoplastischen polymergebundenen Kohlenstoffmatrix mit leitfähigen Additiven wie Ruß und Grafit und wird in einem Pulver-zu-Rolle-Verfahren hergestellt. Material und Produktionsprozess ermöglichen die kontinuierliche Fertigung einer Bipolarplatte, die sowohl leicht zu bearbeiten als auch verschweißbar ist und bereits kommerzielle Anwendung im Bereich der Redox-Flow-Batterien findet“, so das Institut. Über 500 Stunden lang wurden sowohl die Platte aus dem neuen Material als auch eine Platte aus Titan beschleunigten Alterungstests mit wechselnden Stromdichten zwischen 1 A/cm² und 3 A/cm² ausgesetzt.

Kommerziell erhältliche kohlenstoffbasierte Bipolarplatten nutzen üblicherweise einen duroplastischen Binder. Das führe bei Kompression zu Problemen mit deren mechanischer Stabilität, heißt es in dem Papier. Die vom Fraunhofer Umsicht entwickelte Alternative arbeitet daher mit thermoplastischen Polymeren. Die Forscherinnen und Forscher sehen auch weiteres Optimierungspotenzial, um das neue Bipolarmaterial noch genauer für den Einsatzzweck maßschneidern zu können.