Katalysatoren sind Schlüsselelemente der Wasserelektrolyse: Sie senken den Energiebedarf der Reaktion und steigern deren Effizienz. In der PEM-Elektrolyse kommen derzeit meist Edelmetallkatalysatoren wie Platin (an der Kathode) und Iridiumoxid (an der Anode) zum Einsatz. Da diese Materialien selten und kostspielig sind, arbeiten Forschungseinrichtungen intensiv an der Entwicklung edelmetallfreier Alternativen.

Die AEM-Elektrolyse bietet diesbezüglich Vorteile, da sie grundsätzlich ohne Edelmetallkatalysatoren auskommt. Jedoch besteht hier noch erheblicher Forschungsbedarf, insbesondere hinsichtlich der Effizienz und Langzeitstabilität neuartiger Katalysatoren.

Unser Konsortium verfügt auf diesem Gebiet über starke wissenschaftliche Kompetenzen:

• Prof. Ulf-Peter Apfel (Ruhr-Universität Bochum und Fraunhofer UMSICHT) entwickelt sowohl heterogene als auch homogene Katalysatoren für Anoden- und Kathodenreaktionen.

• Prof. Christof Schulz (Universität Duisburg-Essen) ist spezialisiert auf die Herstellung von Nanomaterialien mittels Gasphasensynthese.

• Am Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik wird die skalierbare Gasphasensynthese von Katalysatormaterialien erforscht und weiterentwickelt.

Die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) ist das Herzstück sogenannter Zero-Gap-Elektrolyseure. Sie besteht aus mehreren funktionalen Schichten – insbesondere der Membran sowie den beiden Elektroden (Anode und Kathode) – die im Zero-Gap-Design direkt und fest aufeinandergepresst werden. Dieses kompakte Design ermöglicht besonders kurze Stofftransportwege und eine effiziente Kontaktierung zwischen den Komponenten.

Je nach Technologie unterscheiden sich die verwendeten Membranen:

• In der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane) kommt eine protonenleitende Membran zum Einsatz.

• In der AEM-Elektrolyse (Anion Exchange Membrane) wird hingegen eine anionenleitende Membran verwendet.

Die Elektroden bestehen jeweils aus einem Katalysator und einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial – typischerweise aus Kohlenstoffkompositen oder Metallen wie Nickel oder Titan.

Für die Fertigung der MEA gibt es zwei etablierte Herstellungsverfahren:

• CCS (Catalyst Coated Substrate): Der Katalysator wird auf das Trägermaterial aufgebracht.

• CCM (Catalyst Coated Membrane): Der Katalysator wird direkt auf die Membran appliziert.

In beiden Fällen ist die Verarbeitung des Katalysators ein zentraler Schritt. Da Katalysatoren meist als feine Pulver vorliegen, werden sie zunächst zu einer sogenannten Tinte verarbeitet – einer Suspension aus Katalysatorpartikeln, Lösungsmittel und einem geeigneten Binder. Diese Tinte wird anschließend über verschiedene Verfahren wie Ultraschallsprühen, Rakelbeschichtung oder Rolle-zu-Rolle-Technik auf die jeweilige Trägerschicht aufgetragen.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, bestimmte Katalysatormaterialien direkt mittels galvanostatischer Abscheidung auf das Trägermaterial aufzubringen – eine Methode, die insbesondere bei metallischen Substraten zum Einsatz kommt.

Unser Konsortium verfügt auf diesem Gebiet über starke wissenschaftliche Kompetenzen:

• Prof. Doris Segets (Universität Duisburg-Essen) untersucht Katalysatortinten und deren Beschichtungsverhalten, sowie die Übertragung der MEA-Herstellung im Labormaßstab auf den Pilotmaßstab.
• Am Zentrum für BrennstoffzellenTechnik arbeiten verschiedene Gruppen an verschiedenen Beschichtungstechniken (Dr. Peinecke), sowie der Charakterisierung für PEM- (Sebastian Hirt) und AEM- (Dr. Moritz Pilaski) MEAs. Unterstützt werden diese Untersuchungen durch Simulationen von Lukas Feierabend.
• Prof. Michael Brodmann (Westfälische Hochschule) untersucht ebenfalls verschiedene Beschichtungsmethoden, inklusive galvanostatischer Abscheidung.
• Prof. Ulf-Peter Apfel (Ruhr-Universität Bochum und Fraunhofer UMSICHT) entwickelt in seiner Gruppe Elektroden und MEAs für verschiedene Anwendungen.

Es ist möglich, mehrere MEAs zu stapeln und so leistungsstärkere Elektrolyseure herzustellen. Diese nennt man Stacks. Damit das möglich ist, werden sogenannte Bipolarplatten eingesetzt. Diese übernehmen in der Membran-Wasserelektrolyse mehrere zentrale Funktionen: Sie leiten den elektrischen Strom zwischen den einzelnen Elektroden weiter, sorgen für eine gleichmäßige Verteilung des Wassers (in Brennstoffzellen auch der Reaktionsgase Sauerstoff und Wasserstoff) und dienen gleichzeitig als mechanische Stütze für die Elektrodenstruktur. Darüber hinaus tragen sie zur Wärmeableitung bei und dichten die einzelnen Zellsegmente gegeneinander ab.

In Zero-Gap-Elektrolyseuren liegen die Bipolarplatten direkt an der Membran-Elektroden-Einheit an. Ihre Ausgestaltung – insbesondere die Strukturierung der Flussfelder – hat maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz des Zellbetriebs, etwa durch optimierte Gasverteilung und reduzierten Druckverlust.

Die Materialwahl stellt dabei eine besondere Herausforderung dar: Bipolarplatten müssen elektrisch leitfähig, chemisch beständig (insbesondere gegenüber sauren oder alkalischen Medien) und mechanisch stabil sein. In der PEM-Elektrolyse kommen häufig Titan oder beschichtete Edelstähle zum Einsatz, während in der AEM-Elektrolyse auch günstigere, unbeschichtete Metalle verwendet werden können – vorausgesetzt, sie sind ausreichend stabil gegenüber der alkalischen Umgebung.

Im MAT4HY.NRW-Konsortium forschen mehrere Partner:innen an kostengünstigeren Alternativen für Bipolarplatten:

• Prof. Anna Grevé und Prof. Ulf-Peter Apfel (Fraunhofer UMSICHT) entwickeln kohlenstoffbasierte und verschweißbare Bipolarplatten.
• Am Zentrum für BrennstoffzellenTechnik werden graphitische Bipolarplatten für Brennstoffzellen entwickelt (Dr. Jörg Karstedt) und sowohl ex-situ als auch in-situ getestet (Verena Lukassek)

Neben den zentralen Komponenten wie Katalysator, MEA und Bipolarplatten bestehen Elektrolyseure aus weiteren essenziellen Bauteilen – darunter Flussfelder, Dichtungen, Stromabnehmer und Endplatten. Je nach Anwendungsfall variieren Aufbau und Design der Zellen erheblich: Elektrodenfläche, Zelldruck, Geometrie und Betriebsbedingungen beeinflussen die Auslegung maßgeblich.

Im Konsortium stehen verschiedene Testzellen zur Verfügung, die gezielt für Forschungs- und Entwicklungszwecke genutzt werden können. Die Testzellen decken Elektrodenflächen von 2 cm² bis 25 cm² ab, mit Betriebsdrücken von bis zu 100 bar. Dabei kommen sowohl kommerzielle Zellen als auch selbst entwickelte Designs zum Einsatz.

Diese Testplattformen ermöglichen das Benchmarking neuer Materialien unter standardisierten Bedingungen, die Validierung von MEA-Komponenten, sowie die Entwicklung anwendungsspezifischer Zellkonfigurationen.

Unsere Partner:innen unterstützen bei der Auswahl geeigneter Zellen, dem Aufbau von Versuchsreihen und der Auswertung der Ergebnisse:

• Prof. Ulf-Peter Apfel (Ruhr-Universität Bochum und Fraunhofer UMSICHT) entwickelt Testzellen, inklusive angepassten Flussfeldern sowohl für AEM als auch PEM-Elektrolyseure.
• Prof. Michael Brodmann (Westfälische Hochschule) verfügt über AEM- und PEM-Teststände mit einem speziellen, hydraulisch verpressten Zelldesign für die Hochdruckelektrolyse bis 100 bar.
• Am Zentrum für BrennstoffzellenTechnik stehen Testzellen für die PEM- (Sebastian Hirt) sowie AEM-Elektrolyse (Dr. Moritz Pilaski) zur Verfügung.