Wer einen AEM-Elektrolyseur baut, muss früh entscheiden, wohin der Katalysator kommt. Er kann auf die Membran aufgebracht werden – das ergibt eine katalysatorbeschichtete Membran (CCM), den Standard in der PEM-Elektrolyse. Oder er wird auf die poröse Transportschicht aufgebracht, die so zur katalysatorbeschichteten Elektrode wird, meist CCS genannt, und gegen eine unbeschichtete Membran gepresst. Das EU-Projekt NEWELY (2020–2023, koordiniert vom DLR, Katalysatoren von uns) hat beide Wege ausprobiert. Die öffentlichen Berichte dokumentieren offen, warum das Projekt am Ende auf CCS gesetzt hat.
Zu den Berichten: D3.10 „MEA production“ · D1.10 „Final report“ · NEWELY Ergebnisse auf CORDIS
Der CCM-Versuch
Aus der PEM-Welt weiß man, dass CCMs den besten Kontakt zwischen Katalysator und Membran bieten. Die NEWELY Partner probierten deshalb mehrere Herstellungswege: direktes Sprühen, Rakel- und Stabbeschichtung sowie Decal-Transfer. Direkt auf die AEM gesprüht, delaminierte die Schicht stark, sobald die Membran in KOH aktiviert wurde – AEMs quellen und verformen sich deutlich stärker als PEM-Membranen. Der Decal-Transfer mit schonendem Heißpressen funktionierte mechanisch, doch die so hergestellten CCMs blieben sowohl in reinem Wasser als auch in 0,1 M KOH deutlich unter dem Ziel.
Die Lehre gilt allgemein: Dieselbe Quellung, die AEMs gut leiten lässt, erschwert es, eine Katalysatorschicht dauerhaft auf ihnen zu halten. Deshalb hält der Abschlussbericht fest, dass sich das Projekt auf CCS-Elektroden im Betrieb mit stark verdünnter (0,1 M) KOH konzentrierte.
Der CCS-Weg
Für die CCS-Elektroden kamen unsere PGM-freien, CRM-freien Katalysatoren zum Einsatz – Vorläufer unserer heutigen Produktlinien OXYGN™ Anode und H2GN™ Kathode. Gebunden wurden sie mit dem im Projekt entwickelten PFAS-freien Ionomer und bei CEA und DLR sprühbeschichtet. Die öffentlichen Ergebnisse:
- Projektmeilenstein erreicht. Die Zellspannung lag bei 1 A/cm² in 0,1 M KOH und 50 °C unter 2 V – mit MEAs ganz ohne Platinmetalle.
- Komplette NEWELY MEA. Mit projekteigener Membran, projekteigenem Ionomer und unseren Katalysatoren erreichte eine 25-cm²-Zelle 1,5 A/cm² bei 2 V (0,1 M KOH, 50 °C).
- Aktivität der Katalysatoren. Bei der öffentlichen Abschlussveranstaltung des Projekts (EMEA Workshop, Juni 2023) berichteten wir für unsere CRM-freien Katalysatoren Überspannungen von 215 mV für die Sauerstoffentwicklung und 116 mV für die Wasserstoffentwicklung bei 10 mA/cm², 1,5 A/cm² bei 2 V in einer Einzelzelle mit sprühbeschichteten CCS-Elektroden sowie auf 200 cm² hochskalierte Elektroden für den Stack.
- Potenzial der Katalysatoren. In unserer eigenen Testzelle mit kommerzieller Membran, kommerziellem Ionomer und kommerziellen Transportschichten erreichten die Katalysatoren 1,85 V bei 2 A/cm² in 0,1 M KOH.
- Lebensdauer. Die Langzeittests liefen 780 Stunden in einer 2-cm²-Zelle und 368 Stunden in einer 25-cm²-Zelle. Der 25-cm²-Test lag im Mittel bei 28 µV/h und endete nur, weil der Teststand ausfiel.
Der Betrieb mit reinem Wasser, das ursprüngliche Ziel, gelang nicht: Frühe Zellen erreichten bei 2 V nur einige zehn mA/cm². Die Berichte sagen das klar – und genau das prägte die Strategie mit verdünnter KOH, die HYScale später übernommen hat.
Beschichtung im größeren Maßstab: von 25 auf 200 cm²
Der Bericht zur MEA-Herstellung enthält auch praktische Fertigungsdetails. Am DLR wurden die Elektroden mit einem automatischen Ultraschall-Sprühbeschichter in mehr als hundert Durchgängen aufgebaut, mit wechselnder Sprührichtung für eine gleichmäßige Schicht. Einige Erkenntnisse:
- Tintenstabilität zählt im großen Maßstab. Eine Tintenformulierung setzte sich während der langen Sprühläufe für große Elektroden ab, eine andere blieb stabil. Kurze Laborläufe decken dieses Problem nie auf.
- Overspray ist teuer. In die Tinte ging etwa dreimal so viel Katalysator, wie am Ende auf der Elektrode landete – rund 60 % Verlust. Mit wachsenden Stückzahlen spricht das für Beschichtungsverfahren mit besserer Materialausbeute.
- Das Scale-up hat funktioniert. Nach der Qualifizierung bei 25 cm² entstanden mit denselben Parametern je sechs Anoden und Kathoden mit 200 cm² für den 5-zelligen Hochdruck-Stack des Projekts.
Von NEWELY bis heute
In NEWELY hat unser CCS-Ansatz Gestalt angenommen. Seitdem sind unsere OXYGN™ und H2GN™ Elektroden in HYScale auf 400-cm²-Formate gewachsen. In einem unabhängigen DLR-Test erreichten sie 2 A/cm² bei etwa 2 V in 0,1 M KOH (mehr dazu in unserem D3.1-Beitrag) und kommen heute im validierten 6-kW-Short-Stack und im 100-kW-System von HYScale zum Einsatz.
Sie wägen CCS und CCM für einen AEM-Stack ab? Unser AEM Qualification Pack (englisch) enthält ein empfohlenes Testprotokoll und eine Spezifikationsübersicht. Montagefertige Elektroden finden Sie auf den Produktseiten zu OXYGN™ und H2GN™.
NEWELY wurde vom Gemeinsamen Unternehmen Brennstoffzellen und Wasserstoff 2 (FCH 2 JU) im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 875118 gefördert.