Nachhaltige katalysatorbeschichtete Elektroden für eine effiziente AEM-Elektrolyseurproduktion (SAEP)

Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung von Anionenaustauschmembran-Elektrolyseuren (AEMEL) für eine kostengünstige Herstellung von grünem Wasserstoff durch die Entwicklung von Katalysatoren ohne Platingruppenmetalle. Unter der Leitung der TU Graz und mit den Partnern Joanneum Research und Duramea konzentriert sich das Projekt auf die Herstellung von Elektroden mit verbesserter Leistung und Haltbarkeit mittels skalierbarer Rolle-zu-Rolle-Technologien. Innovative Vor-/Nachbehandlungs- und energieeffiziente Trocknungsmethoden gewährleisten möglichst fehlerfreie und korrosionsbeständige Elektroden. Die Lebenszyklusanalyse des Herstellungsprozesses integriert die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft und optimiert Ressourceneffizienz sowie minimiert Abfälle und fördert so eine nachhaltige und leistungsstarke AEMEL-Elektrodenproduktion in Österreich.

Kurzbeschreibung

Ausgangslage / Motivation

Wasserstoff ist der Schlüssel zu einer nachhaltigen Energiewirtschaft, doch seine Herstellung ist nach wie vor kohlenstoffintensiv, nur ein geringer Teil wird durch Elektrolyse erzeugt. Die Weiterentwicklung effizienter und kostengünstiger Elektrolysetechnologien ist entscheidend für die Erreichung einer kohlenstoffneutralen Wasserstofferzeugung. Die AEMWE-Technologie (Anion Exchange Membrane Water Electrolysis) bietet eine vielversprechende Alternative, da sie die Vorteile bestehender Verfahren kombiniert, allerdings hat sie auch Herausforderungen wie niedrige Stromdichten und Elektrodendegradation zu bewältigen. Das SAEP-Projekt konzentriert sich auf den Kernansatz der AEMWE-Entwicklung, indem es den PGM-freien Elektrokatalysator und das Elektrodendesign vorantreibt und ein Elektrodenherstellungsverfahren zur Verbesserung der Haltbarkeit, Effizienz und Skalierbarkeit entwickelt.

Inhalte und Zielsetzungen

Entwicklung nachhaltiger katalysatorbeschichteter Substrate für AEM-Wasserelektrolyseurelektroden, die eine hohe Stromdichte und eine geringe Degradationsrate erreichen.
Entwicklung von Katalysatorschichten unter Verwendung häufig vorhandener Elemente, die mit funktionellen und schützenden Beschichtungen für Leistung und Langlebigkeit angepasst werden, um den Ersatz wertvoller Platingruppenelemente (PGM)-Katalysatoren zu kompensieren.
Die Vorbehandlung der PTL (Porous Transport Layer), um die Haftung der Katalysatorschicht und die Korrosionsbeständigkeit der Elektroden zu verbessern.
Erzielung von Skaleneffekten zur Senkung der Produktionskosten der im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellten Elektroden, wodurch eine breitere Anwendung der AEMWE-Technologie ermöglicht wird.

Methodische Vorgehensweise

Im Rahmen des SAEP-Projekts werden innovative Maßnahmen auf mehreren Stufen der Elektrodenproduktion durchgeführt:

Die Auswahl der PTL wird Robustheit, Wiederverwertbarkeit und Rollbarkeit für eine Produktion mit hohem Durchsatz mit einer Rolle-zu-Rolle-Beschichtungsanlage gewährleisten und die Kosten und Umweltauswirkungen der Elektrolyseur-Herstellung senken.
Die Vorbehandlung der PTL-Oberfläche zur Verbesserung der Benetzbarkeit und die Oberflächenfunktionalisierung für eine bessere Haftung des Katalysators werden erforscht.
Untersuchung und Abstimmung der Katalysatoreigenschaften zur Verstärkung und Stabilisierung der Katalysatorschicht auf den Elektroden.
Die Bildung einer schützenden, korrosionsbeständigen Oberflächenbeschichtung auf der Elektrode trägt dazu bei, die oxidative Auslaugung der katalytisch aktiven Zentren zu verhindern, und adressiert die Herausforderung der Effizienzsteigerung durch Erhöhung der Katalysatoraktivität.
Die Trocknungsbedingungen werden optimiert, um die durch Viskosität und Partikelfluss beeinflusste Mikrostruktur zu überwachen und so eine gleichmäßige Verteilung des Katalysators zu gewährleisten.
Die Herstellung von Elektroden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R) ermöglicht eine effiziente Skalierung der Produktion durch Erhöhung des Ausstoßes ohne proportionalen Kostenanstieg. Dieses Verfahren senkt die Kosten pro Elektrode durch Massenkauf und effektivere Ressourcennutzung.
Eine Lebenszyklusanalyse (LCA), die für die im Rahmen des SAEP-Projekts während des CCS-Fertigungsprozesses eingeführten Nachhaltigkeitspraktiken durchgeführt wird, erleichtert die Auswahl von Materialien und Prozessen, die mit den Nachhaltigkeitszielen übereinstimmen, insbesondere die Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und die Minimierung von Abfällen.

Erwartete Ergebnisse

Durch die Feinabstimmung der Elektroden, durch die Entwicklung der Katalysatorschichten und PTLs im Rahmen des Projekts wird eine erhebliche Verbesserung der Leistung und Effizienz der AEMWE erreicht. Durch die Einbeziehung von Grundsätzen der Kreislaufwirtschaft trägt das SAEP dazu bei, die AEMWE nachhaltiger und wirtschaftlich tragfähig zu machen und sie an den künftigen Wasserstoffbedarf anzupassen.

Projektbeteiligte

Projektleitung

Prof. Viktor Hacker
Technische Universität Graz Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik

Projektpartner

JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
Duramea FlexCo

Kontaktadresse

Prof. Viktor Hacker
Technische Universität Graz Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Inffeldgasse 25 C, 8010 Graz
Tel: : +43 316 873 - 8780
E-Mail: viktor.hacker@tugraz.at
Web: www.ceet.tugraz.at