Elektrolyse neu gedacht

Grüner Wasserstoff gilt als Schlüssel der Energiewende, bleibt aber in der Herstellung teuer. Vor allem die Materialien in den Elektrolyseuren treiben die Kosten in die Höhe. Forschende der Empa entwickeln Beschichtungen, die Edelmetalle ersetzen, Korrosion stoppen und sich in der Industrie skalieren lassen. Damit rückt der wirtschaftliche Durchbruch des grünen Wasserstoffs näher.

Erneuerbarer Strom plus Wasser ergeben Wasserstoff und Sauerstoff, bei der Nutzung entsteht wieder Wasser. In der Realität stammt aber über 90 Prozent des heute eingesetzten Wasserstoffs aus fossilen Quellen, vor allem aus Erdgas. Grüner Wasserstoff aus Elektrolyse kostet derzeit etwa doppelt so viel wie konventionell hergestellter Wasserstoff.

Problemzone Elektrolyseur
Ein wichtiger Kostentreiber sind die eingesetzten Materialien im Elektrolyseur. Im Fokus des Empa-Projekts steht die PEMWE-Technologie, die sich gut mit schwankenden erneuerbaren Energien kombinieren lässt. Im Inneren herrscht jedoch ein hochkorrosives, saures Milieu, in dem unveredelter Stahl sprichwörtlich «verschwindet». Selbst Bauteile ausserhalb der Säurezone leiden, wenn kleinste Metallionen in das hochreine Wasser gelangen.

Titan und Platin als Kostentreiber
Um die aggressive Umgebung zu beherrschen, werden heute Komponenten für Zu- und Ableitung von Wasser und Gas aus Titan gefertigt. Titan ist teuer, schwer zu verarbeiten und muss zusätzlich mit Platin beschichtet werden, damit es nicht oxidiert und die Leistung des Elektrolyseurs beeinträchtigt. Diese Kombination aus Spezialmetall und Edelmetall macht die Hardware teuer und limitiert das Skalierungspotenzial.

Stahl plus Titanoxid statt Titan plus Platin
Materialwissenschaftler Konstantin Egorov und sein Team verfolgen einen anderen Ansatz. Sie ersetzen das Trägermaterial Titan durch Stahl und schützen diesen mit einer speziellen Titanoxid-Schicht. Zum Einsatz kommt hochkristallines, sauerstoffarmes Rutil. Die fehlenden Sauerstoffatome sorgen für elektrische Leitfähigkeit, die hohe Kristallinität für Korrosionsbeständigkeit. So entsteht eine leitfähige, stabile Schutzschicht auf einem deutlich günstigeren Substrat.

Industrietaugliche Beschichtung
Für die Beschichtung nutzt das Team physikalische Gasphasenabscheidung, ein in der Industrie etabliertes Verfahren. Erste Anwendungen auf der sogenannten bipolaren Platte zeigen, die beschichteten Bauteile bestehen anspruchsvolle Korrosionstests im Labor und im funktionierenden Elektrolyseur. Die Stahlkomponenten lassen sich zudem einfacher bearbeiten, was neue, strömungsgünstige Designs ermöglicht und die Effizienz der Zelle weiter erhöhen kann.

Die nächste Hürde
Als nächstes nehmen die Forschenden die poröse Transportschicht in Angriff. Hier muss die Titanoxid-Beschichtung tief in die Poren eindringen, ohne sie zu verstopfen. Gelingt dies, wären zwei zentrale Komponenten des PEMWE-Elektrolyseurs auf eine günstigere, skalierbare Materialbasis gestellt. Das Projekt läuft bis ende 2026, danach soll ein Industriepartner helfen, die Technologie Richtung Kommerzialisierung zu bringen.