Vielversprechender Elektrolyseansatz: Forschungsteams erreichen Meilenstein bei Alkalischen Membran-Elektrolyseuren

Berlin - Der Hochlauf der grünen Wasserstoffwirtschaft wird aktuell maßgeblich von zwei Elektrolyse-Systemen zur Wasserstoff-Produktion bestimmt, der gängigen, protonenleitenden Membranelektrolyse (PEM) und der klassischen alkalischen Elektrolyse (AEL).

Ein weiterer, vielversprechender Ansatz ist die alkalische Membran-Elektrolyse (AEM-Elektrolyse), bei der die Vorteile beider Systeme kombiniert werden können. AEM-Elektrolyseure benötigen beispielsweise keine seltenen Edelmetalle wie Iridium.

Nun haben Forschungsteams aus TU Berlin und HZB gemeinsam mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Uni Freiburg und Siemens Energy erstmals eine alkalische Membran-Elektrolyseurzelle im Labormaßstab vorgestellt, die eine hohe Effizienz bei der Produktion von Wasserstoff aufweist.

Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. Während der Elektrolyse in der Zelle konnten die Forschungsteams Operando-Messungen an der Berliner Röntgenquelle BESSY II durchführen. Ein Theorie-Team aus Singapur und den USA half dabei, die experimentellen Daten zu interpretieren.

„Dadurch gelang es uns, die relevanten katalytisch-chemischen Prozesse an der katalysatorbeschichteten Membran zu verstehen und zu beschreiben, insbesondere den Phasenübergang von einer katalytisch inaktiven Alpha-Phase zur hochaktiven Gamma-Phase. Erst diese Gamma-Phase kann unseren Katalysator konkurrenzfähig mit den aktuellen state-of-the-art Katalysatoren aus Iridium machen“, so Prof. Peter Strasser von der TU Berlin.

Im Ergebnis zeigt die Arbeit nach Angaben von Strasser wichtige Gemeinsamkeiten zu Iridium im katalytischen Mechanismus, aber auch völlig überraschende molekulare Unterschiede. Die Untersuchung habe damit das Verständnis der fundamentalen Katalyse Mechanismen der neuen nickelbasierten Elektroden-Materialien signifikant erweitert. Außerdem verspreche das neu entwickelte Beschichtungsverfahren der Membranelektrode nach Angaben eine sehr gute Skalierbarkeit.

Eine erste vollfunktionsfähige Kleinzelle wurde am IMTEK bereits getestet. Damit legen die Arbeiten nach Angaben von Strasser die Grundlage für eine weitergehende industrielle Evaluierung und demonstrieren, dass auch ein AEM-Wasserelektrolyseur hocheffizient sein kann.