Halbzellenverbund: Neue Zellkonzepte für die großskalige Massenproduktion von PEM-Elektrolyseuren

03.04.2023 - Deutschland

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg haben ein fortschrittliches Zell- und Stackdesign für Elektrolyseure entwickelt und patentieren lassen. Mit diesem neuartigen Halbzellenverbund (HZV) werden die Material- und Herstellungskosten für PEM-Elektrolyseure gesenkt und so eine großskalige Massenproduktion ermöglicht. Diesen Halbzellenverbund wird das Fraunhofer ISE neben weiteren Innovationen für die Wasserstoffwirtschaft vom 17. bis 21. April 2023 auf der Hannover Messe vorstellen.

Um bereits in naher Zukunft konkurrenzfähige Stacks für die PEM-Elektrolyse in hoher Stückzahl produzieren zu können, sind Innovationsschritte sowohl im Design als auch in der Herstellung erforderlich. Der am Fraunhofer ISE entwickelte Halbzellenverbund (HZV) vereint nun die Funktionalität der Einzelkomponenten konventioneller Designs wie Einfassung, Dichtelement, Kanalstrukturen für die Medienversorgung und poröse Transportschicht in nur einem Bauteil – jedoch ohne Verwendung eines zusätzlichen Rahmenteils. Die Vorteile, die durch den Einsatz des Halbzellenverbunds entstehen, sind vielfältig: Damit werden Material- und Herstellkosten reduziert, die Bauteilanzahl verringert und somit die Montage vereinfacht. Zudem bieten sich so neue Möglichkeiten wie Flächenskalierung, automatisierte Herstellverfahren sowie eine vereinfachte Qualitätsprüfung eines Halbzellenverbunds vor der Montage.

Ohne Rahmenteil zu vereinfachter Montage: positive Ergebnisse der Machbarkeitsanalyse

Auf einer Fläche von 150 cm² konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass der Halbzellenverbund im Betrieb in der Lage ist, Druck- und Temperaturwechsellasten auf der Anode bzw. Kathode bis 10 bar und 80 °C ohne nennenswerte Leistungseinbußen zu gewährleisten. Aufgrund dieser positiven Ergebnisse der Machbarkeitsanalyse wurde das entwickelte Design und Herstellverfahren zum Patent angemeldet. Aktuell wird eine Skalierung auf größere Zellflächen bis 600 cm² mit höherem Wasserstoffgasdruck angestrebt, um eine industriell relevante Ausführung bei vergleichbaren Leistungsdichten wie in der Machbarkeitsanalyse zu erreichen.

Wasserstoff und seine Derivate sind eine wichtige Säule in einem nachhaltigen globalen Energiehandelssystem, da sie große Mengen an Energie über lange Zeiträume speichern können. Sie können zudem in Schiffen oder Pipelines transportiert und in naher Zukunft in allen energieverbrauchenden Sektoren als Ersatz für fossile Energieträger eingesetzt werden. Außerdem ist Wasserstoff das Grundmolekül für die Erzeugung erneuerbarer synthetischer Kraftstoffe oder Chemikalien. Per Elektrolyse wird Wasser unter Einsatz von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten; die Protonen-Austauschmembran-Elektrolyse (PEM) zeichnet sich durch eine dynamische Betriebsweise aus, so dass sie flexibel mit Strom aus erneuerbaren Energien betrieben werden kann. Das Fraunhofer ISE beschäftigt sich seit 30 Jahren mit verschiedenen konstruktiven und produktionstechnischen Fragestellungen zur PEM-Elektrolyse.

Innovationen für die Wasserstoffwirtschaft vom 17. bis 21. April 2023 auf der Hannover Messe in Halle 13, Stand D35

Auf der Hannover Messe werden am Stand des Fraunhofer ISE noch weitere Innovationen vorgestellt: So ist eine im Decalverfahren hergestellte Membran-Elektroden-Einheit für PEM-Brennstoffzellen mit im Siebdruckverfahren produzierten Katalysatorschichten zu sehen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts zeigen außerdem die Charakterisierung von Zellkomponenten und Lebensdaueruntersuchungen anhand einer Test-Brennstoffzelle und einen Power-to-X-Würfel, der die relative Energiedichte verschiedener wasserstoffbasierter Energieträger im Vergleich zu drucklosem, komprimiertem sowie tiefkalt verflüssigtem Wasserstoff veranschaulicht.

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