Grüner Wasserstoff PEM-Elektrolyse: Forschende entwickeln kosteneffiziente Kohlenstoff-Bipolarplatten

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Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

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Die PEM-Elektrolyse könnte die Produktion von grünem Wasserstoff revolutionieren, ist aber derzeit nicht kosteneffizient. Titan-Bipolarplatten, eine Schlüsselkomponente, sind teuer. Forschende des Fraunhofer-Instituts Umsicht und der Ruhr-Universität Bochum haben eine kostengünstigere Alternative entwickelt: kohlenstoffbasierte Bipolarplatten.

Die Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse gilt als vielversprechendster Weg zu grünem Wasserstoff. Allerdings ist sie momentan noch wenig wirtschaftlich. Ein Grund: Eine ihrer Schlüsselkomponenten – die Bipolarplatte – besteht in der Regel aus Titan. Das Metall überzeugt durch seine Korrosionsbeständigkeit bei der Elektrolyse, ist aber aufgrund aufwendiger Gewinnung und Verarbeitung teurer als andere Metalle. Dass Bipolarplatten auf Kohlenstoffbasis eine kosteneffizientere und zugleich skalierbare Alternative sein können, haben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik Umsicht und der Ruhr-Universität Bochum herausgefunden.

Im Fokus ihrer Untersuchungen stand eine neue kohlenstoffbasierte Bipolarplatte – entwickelt und patentiert bei Fraunhofer Umsicht. Sie besteht aus einer thermoplastischen polymergebundenen Kohlenstoffmatrix mit leitfähigen Additiven wie Ruß und Graphit 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.

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Diese Bipolarplatte und eine Bipolarplatte aus Titan haben die Forschenden umfassenden Ex-situ-und In-situ-Tests unterzogen. Bei den Ex-situ-Untersuchungen führten sie elektrochemische Korrosionsstudien durch, analysierten dann die Korrosion in Rasterelektronenmikroskop-Bildern und maßen den Gewichtsverlust der Bipolarplatte auf Kohlenstoffbasis, um die Eignung für reale Anwendungen und die Wahl der Parameter zu bewerten. Bei den In-situ-Tests wurden die Bipolarplatten über 500 Stunden lang beschleunigten Alterungstests mit wechselnden Stromdichten zwischen 1 und 3 A cm-2 ausgesetzt.

Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter dem Titel „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-1 hat und damit eine vielversprechende Leistung zeigt. Damit kann sie durchaus mit Titan-Bipolarplatten konkurrieren und stellt eine wesentlich kostengünstigere Alternative dar.

Projekt IntegrH2te

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Ein weiterer Vorteil: Aufgrund ihrer Materialeigenschaften wie der Verschweißbarkeit ermöglicht sie ganz neue Designs für PEM-Elektrolyseure. Das Potenzial, Titan-Bipolarplatten im PEM-Elektrolyse-Stack zu ersetzen und die Elektrolyse gleichzeitig skalierbar zu machen ist also definitiv vorhanden. Jetzt gilt es, das neue Material weiter zu untersuchen und ggfs. zu optimieren, um die Kosten der Elektrolyse weiter zu senken und dadurch die Produktion von grünem Wasserstoff wirtschaftlicher zu gestalten.

Originalpublikation: Leonard Messing, Kevinjeorjios Pellumbi, Lucas Hoof, Niklas Imming, Steffen Wilbers, Lukas Kopietz, Michael Joemann, Anna Grevé, Kai junge Puring, Ulf-Peter Apfel: Carbon Bipolar Plates in PEM Water Electrolysis: Bust or Must?, in: Advanced Energy Materials. https://s.fhg.de/u87

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