Wasserstoff und Oberflächentechnik: Luftschloss oder Zukunftsburner?

Die elektrochemische Zersetzung von Wasser ist eine aussichtsreiche Technologie für die Bereitstellung des Energieträgers Wasserstoff mit elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen, die Reaktionsführung hat jedoch ihre Tücken. Der erste Beitrag der Session gibt einen Überblick über die Grundlagen der Elektrolyse und die verschiedenen Typen von Elektrolyseuren. Weiterhin werden Chancen und Herausforderungen für die Galvanotechnik aufgezeigt.

Zur flächendeckenden Einführung der Brennstoffzellentechnologie bedarf es sowohl Produkt- als auch Prozessinnovationen. Zentrales Ziel des anschließend vorgestellten Forschungsprojekts AluBiPEM ist der Einsatz von Aluminium als Substratwerkstoff für die Schlüsselkomponente Bipolarplatte (BPP).

Um den prognostizierten Bedarf an Wasserstoff decken zu können, ist ein Ausbau der Elektrolysekapazitäten und damit eine Hochskalierung der Fertigung von Elektrolyseuren nötig. Die Komponenten der Elektrolyseure müssen dabei kostengünstig herstellbar sein und gleichzeitig die hohen Anforderungen an Stabilität und Lebensdauer erfüllen. Eine vielversprechende Strategie für die günstige Herstellung der metallischen Komponenten eines Stacks ist die Funktionalisierung mit galvanisch aufgebrachten Schutzschichten. Im Rahmen des vorgestellten Projekts StacIE („Stack-Scale-up – Industrialisierung PEM-Elektrolyse“) werden Schichtsysteme für Bipolarplatten und poröse Transportschichten erforscht und unter realen Bedingungen in einem Elektrolyseurstack getestet. 

Es folgt die Vorstellung des Forschungsprojekts „IREKA – Iridium-reduzierte Anodenkatalysatoren für die PEM-Wasserelektrolyse“, bei dem an der Entwicklung von galvanischen Abscheidungsverfahren zur Erzeugung von Katalysatorschichten gearbeitet wird – mit dem Ziel, Katalysatormaterialien und -schichten mit einem möglichst geringen Iridiumgehalt zu erzeugen. Ergebnisse zeigen, dass galvanische Verfahren dabei für einen sparsamen Materialeinsatz prädestiniert sind.

Im Rahmen des vom BMBF geförderten AEM-Direkt-Projekts als Teil des H2Giga-Leitprojekts werden Direktbeschichtungen auf Anionenaustauschmembranen für effiziente Wasserelektrolyse untersucht. Im Vortrag wird die stromlose Abscheidung katalytisch aktiver Nickelbeschichtungen präsentiert und die Ergebnisse von Stabilitäts- und Performance-Tests werden diskutiert. 

Hochleistungsbeschichtungen für Komponenten wie Bipolarplatten in Elektrolyseuren sollen eine hohe Korrosionsbeständigkeit im weiten pH-Bereich, eine hohe Haftfestigkeit und einen geringen elektrischen Durchgangswiderstand aufweisen. Um zudem eine wirtschaftlich wettbewerbsfähige Lösung zu erzielen, soll auf kritische Rohstoffe verzichtet werden. Hier liegt der Fokus vor allem auf den Komponenten der Anodenseite, da dort üblicherweise Materialien wie Titan als Substrate dienen, die zusätzlich noch mit einer edelmetallhaltigen Beschichtung versehen werden. Der im folgenden Vortrag vorgestellte Beschichtungsansatz umfasst die poröse Transportschicht (PTL) als essenzielle Komponente in einer Elektrolysezelle, um den Stofftransport sowie die Elektronenleitung zu gewährleisten. Es werden verschiedene Abscheidetechnologien von Platin auf porösen Titansubstraten betrachtet. 

Wasserstoff kann außerdem vorteilhaft zur Wertstoffrückgewinnung von Metall und Säure aus Prozessbädern eingesetzt werden. Vorgestellt wird ein neuer Rückgewinnungsprozess für eine Eisenbeize. Abschließend wird ein mögliches Gesamtverfahren für eine zukünftige Badpflege von Metallbeizen ohne Chemikalienbedarf und mit minimalster Abwassermenge präsentiert.