Grüner Wasserstoff, der mit erneuerbarer Energie aus Wasser hergestellt wird, ist ein wichtiger nachhaltiger Treibstoff und Energiespeicher. Die Produktion ist aber teurer als die konventionelle Gewinnung aus fossilen Quellen. Zusammen mit Partnern entwickelt die Empa Materialien für die Wasserelektrolyse, die nicht nur leistungsfähiger und günstiger sind, sondern sich auch in industriellem Massstab skalieren lassen.
Mit Strom aus erneuerbaren Quellen und Wasser kann Wasserstoff und Sauerstoff produziert und fossiler Brennstoff ersetzt werden. Nach dem Verbrennen des Wasserstoffs entsteht durch Reaktion mit dem atmosphärischen Sauerstoff Wasser und der Kreislauf schliesst sich ohne Treibhausgasemissionen. Über 90 Prozent des Wasserstoffs wird bisher aus fossilen Quellen gewonnen, da der nachhaltigere Wasserstoff aus der Elektrolyse etwa doppelt so teuer ist.
Günstigere Alternativen
In einem vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der französischen «Agence Nationale de la Recherche» (ANR) unterstützten Projekt wollen Empa-Forschende aus dem Labor «Materials for Energy Conversion» Abhilfe schaffen. Ein Kostentreiber der Elektrolyse sind die Materialien, die bei der Herstellung der Elektrolyseure zum Einsatz kommen. Gemeinsam mit Forschenden der französischen Forschungsinstitute «Institut de la Corrosion» in Brest und «LEMTA» in Nancy arbeiten die Empa-Forschenden an günstigeren Alternativen für zwei Schlüsselkomponenten der Elektrolyse-Geräte.
Vermeidung von Korrosion
Geforscht wird an der «Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis»-Technologie (PEMWE). Diese Elektrolyseure sind effizient und kompatibel mit Energieschwankungen, die aus erneuerbaren Quellen zu erwarten sind, aber die Umgebung im Elektrolyseur ist korrosiv. In der zentralen Kammer löst sich Stahl auf wie Zucker in einer Tasse Tee. Sogar Komponenten, die nicht mit dem hochsauren Milieu in Kontakt kommen, korrodieren. Schon geringe Verunreinigungen im hochreinen Wasser, das zur Elektrolyse in das Gerät strömt, führen zu Einbussen von Leistung und Lebensdauer.
Die Komponenten für die Zu- und Ableitung des Wassers und der entstehenden Gase innerhalb des Elektrolyseurs bestehen deshalb aus Titan, das teuer und auch schwierig zu verarbeiten ist. Damit das Titan nicht oxidiert und die Wirksamkeit des Elektrolyseurs beeinträchtigt, müssen die Bauteile mit dem Edelmetall Platin beschichtet werden, was die Kosten weiter erhöht.
Materialwissenschaftler Konstantin Egorov sucht deshalb nach anderen Materialien, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Er forscht mit einer besonderen Form des Titanoxids, das sogenannte hochkristalline sauerstoffarme Rutil. Bei diesem Oxid fehlen an bestimmten Stellen Sauerstoffatome, was dem Material eine gute Leitfähigkeit verleiht, während seine Hochkristallinität für eine hohe Korrosionsbeständigkeit sorgt – genau die richtigen Voraussetzungen für die PEMWE-Elektrolyse. Das Trägermaterial Titan wird durch billigeren Stahl ersetzt, der auch einfacher verarbeitet werden kann. «Das ermöglicht neue, fortschrittliche Komponentendesigns, die die Effizienz der Zelle steigern», erklärt Empa-Forscher Egorov. Dank der robusten Beschichtung bleibt das Material in der korrosiven Umgebung beständig.
Umsetzung in der Industrie
Die bipolare Platte zeigt keine Spur von Korrosion. Bild: Empa
Die Empa entwickelte eine Methode, um die erste Komponente des PEMWE-Elektrolyseurs, die bipolare Platte, erfolgreich mit Titanoxid zu beschichten. Das geschieht mit der in der Industrie bereits bewährten Methode der physikalische Gasphasenabscheidung (engl. «physical vapour deposition» oder PVD). «Es ist uns wichtig, etwas zu entwickeln, das die Industrie tatsächlich gebrauchen kann», betont Egorov.
Die bipolare Platte bewährte sich in industriellen Tests unter Laborbedingungen und in einem funktionierenden Elektrolyseur. Jetzt wollen die Forscher eine weitere Schlüsselkomponente mit Titanoxid beschichten, die poröse Transportschicht.
«Die Beschichtung von porösen Materialien birgt viele Herausforderungen», sagt Egorov. Die Poren müssen gleichmässig beschichtet werden, damit das darunterliegende Material nicht korrodiert und sie dürfen nicht verstopfen. Der Beschichtungsexperte erwartet einen Erfolg bis zum Projektende 2026. Dann braucht es einen Industriepartner, um die innovative Technologie in Richtung Kommerzialisierung weiterzuentwickeln.
