Die Anoden von PEM-Elektrolyseuren sind mit Iridium beschichtet – eines der seltensten Elemente überhaupt. Im Forschungsprojekt IREKA arbeiten Forschende des Fraunhofer IPA deshalb an galvanischen Abscheidungsverfahren zur Erzeugung von Schichten mit möglichst geringem Iridiumgehalt.
Die EU plant, den Ausstoß an Kohlenstoffdioxid bis 2030 um 55 % gegenüber 1990 zur reduzieren. Dafür muss der Ausbau der erneuerbaren Energien in den nächsten Jahren deutlich beschleunigt werden. Als Folge steigt allerdings die Spannbreite der elektrischen Leistung, die aus Wind und Sonne zur Verfügung steht. Die Erzeugung von grünem Wasserstoff als Speicher für erneuerbare Energie ist ein wichtiger Baustein, um auch zukünftig eine sichere Energieversorgung gewährleisten zu können.
Mit der alkalischen Elektrolyse (AEL) und der Protonenaustauschmembranelektrolyse (PEMEL) stehen kommerziell zwei Niedertemperaturelektrolyseverfahren für die Erzeugung von grünem Wasserstoff zur Verfügung. Die alkalische Elektrolyse ist eine etablierte Technologie mit dem Nachteil, dass sie in der aktuellen Form weniger gut mit den Lastwechseln und der Dynamik von erneuerbarer Energie aus Wind und Sonne zurechtkommt. PEM-Elektrolyseure dagegen besitzen eine gute Teillastfähigkeit und können mit hohen Stromdichten bei guten Wirkungsgraden betrieben werden.
Die Technologie ist jedoch sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite von Edelmetallen abhängig. Für die Anodenseite weist Iridiumoxid das beste Eigenschaftsprofil aus elektrochemischer Aktivität und Beständigkeit auf. Iridium ist allerdings mit einem Vorkommen in der Erdkruste von 0,000003 Parts per million (ppm) und einer jährlichen Fördermenge von sieben Tonnen (2016) eines der seltensten Elemente überhaupt. Derzeit werden pro Kilowatt Leistung für einen PEM-Elektrolyseur etwa 0,67 Gramm Irdium benötigt, wodurch sehr hohe Materialkosten entstehen [1].
Um eine erfolgreiche Industrialisierung der PEM-Elektrolysetechnik vollführen zu können, muss der Iridiumeinsatz daher signifikant reduziert werden. Im Forschungsprojekt IREKA – Iridium-reduzierte Anodenkatalysatoren für die PEM-Wasserelektrolyse arbeiten Forschende des Fraunhofer IPA an der Entwicklung von galvanischen Abscheidungsverfahren zur Erzeugung von Katalysatorschichten mit dem Ziel, Katalysatormaterialien und -schichten mit einem möglichst geringen Iridiumgehalt zu erzeugen. Galvanische Verfahren sind dabei für einen sparsamen Materialeinsatz prädestiniert. Schichten können sehr dünn bis hin zu nur einzelnen Keimen abgeschieden werden, zudem kann die Abscheidung selektiv nur auf den Funktionsflächen erfolgen. Im Projekt sollen drei verschiedene Routen untersucht werden, um den Einsatz von Iridium auf den Anoden zu reduzieren. Dazu gehören die direkte Abscheidung von dünnen Iridium(legierungs)schichten, die direkte anodische Abscheidung von Iridiumoxid und die Herstellung kleinstskaliger Katalysatorpartikel durch Mikrogalvanoformung.
Abb. 1: REM-Aufnahme einer anodisch abgeschiedenen Iridiumoxidschicht
Abb. 2: Makroaufnahmen von iridiumoxidbeschichteten Blechen
Die so am Fraunhofer IPA erzeugten Proben (Abb. 1 und 2) werden zur Untersuchung dem Leibniz-Institut für Katalyse e. V. übergeben und hinsichtlich ihrer Funktionsfähigkeit (möglichst geringes benötigtes Anodenpotenzial zur Erreichung der Arbeitsstromdichte) und Langzeitstabilität getestet. Eignet sich das Verfahren zur Abscheidung von iridiumreduzierten Katalysatorschichten, erarbeitet das Fraunhofer IPA ein Konzept zur Hochskalierung des Prozesses.
Literatur:
[1] T. Smolinka, N. Wiebe, Ph. Sterchele, A. Palzer, F. Lehner, M. Jansen et al.: Studie IndWEDe Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland: Chancen und Herausforderungen für nachhaltigen Wasserstoff für Verkehr, Strom und Wärme; Hg. v. Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, E4tech Sàrl und Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie und Automatisierung IPA; Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI); online verfügbar unter www.ipa.fraunhofer.de/de/Publikationen/studien/studie-indWEDe.html (zuletzt geprüft am 25.9.2020)
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