EU-Forschungsprojekte erzeugen viel Papier. Das meiste ist Verwaltung, einige Deliverables sind aber echte technische Berichte – und frei zugänglich. Einer davon ist HYScale Deliverable D3.1, „Assessment of large area AMEL cells“: ein öffentlicher Bericht von CENmat mit CNR-ITAE und DLR darüber, wie sich unsere AEM-Materialien verhalten, wenn die Zellen von 4 cm² auf rund 400 cm² wachsen.
Seine Ergebnisse gehören zu den nützlichsten öffentlichen Daten zur AEM-Elektrolyse in verdünntem Elektrolyten, und die Fragen, die er behandelt, stellen sich jedem AEM-Entwickler. Hier die wichtigsten Punkte verständlich zusammengefasst.
Zum Bericht: HYScale D3.1 auf CORDIS (PDF, öffentlich) · HYScale Ergebnisse auf CORDIS
Warum 0,1 M KOH?
AEM-Zellen leisten in konzentrierterem Elektrolyten mehr, und D3.1 bestätigt das: Zellen in 1 M KOH starteten mit niedrigeren Spannungen und geringerem Widerstand als dieselben Zellen in 0,1 M KOH. Warum zielt HYScale trotzdem auf etwa 0,1 M?
Weil ein Stack mehr ist als seine Membranen. Verdünnter Elektrolyt schont Membran und Ionomer über Tausende Stunden – und ebenso Pumpen, Dichtungen, Rohrleitungen und Bipolarplatten. Außerdem vereinfacht er Sicherheit und Handhabung beim Betreiber. Ziel ist, möglichst viel Leistung zu behalten und dabei nahe an reinem Wasser zu arbeiten. Alle folgenden Ergebnisse gelten, sofern nicht anders angegeben, für 0,1 M KOH bei 50 °C.
Kleine Zelle: 2 A/cm² bei 2 V, unabhängig gemessen
Am DLR wurde eine 4-cm²-Zelle mit AionFLX™ Membran und Ionomer, unserer CRM-freien OXYGN™ Anode und H2GN™ Kathode sowie porösen Transportschichten eines Projektpartners aufgebaut. Nach dem harmonisierten EU-Kennlinienprotokoll erreichte sie 2,01 A/cm² bei 2,01 V – praktisch das Projektziel, in einer Zelle ganz ohne Platinmetalle und fluorierte Polymere.
Dieselbe Konfiguration ging anschließend in einen Dauertest und blieb 330 Stunden stabil bei unter 5 µV/h. Ebenso aufschlussreich ist, wie offen der Bericht die Zwischenphase schildert. Nach einem geplanten Stopp für Diagnosen bei 170 Stunden stieg die Degradationsrate vorübergehend an. Abschalten und Wiederanfahren stellten die Leistung vollständig wieder her, Nachfüllen von Wasser in den Elektrolyten teilweise. Das spricht für reversible Verluste statt dauerhafter Schäden – wichtig für alle, die Betriebsweisen für fluktuierenden erneuerbaren Strom festlegen.
Membranvergleich
Am CNR-ITAE wurde AionFLX™ in kleinen Zellen mit einer verbreiteten kommerziellen AEM-Referenz verglichen, jeweils in 1 M und 0,1 M KOH. Zu Testbeginn zeigte AionFLX™ bei niedriger und mittlerer Stromdichte niedrigere Zellspannungen und einen geringeren Ladungstransferwiderstand – bei beiden Konzentrationen. Bei hoher Stromdichte glichen sich die Membranen an, weil dort der Stofftransport und nicht die Membran begrenzte.
D3.1 benannte außerdem die Membranstabilität als wichtigsten Verbesserungspunkt. Daran haben wir weitergearbeitet: Die Kompositmembran AionFLX™ Plus hat inzwischen 8.000 Stunden in 1 M KOH erreicht (zu den Ergebnissen); die aktuellen Spezifikationen stehen auf der Membran-Produktseite.
Robustheit vor ein paar Millivolt
Ein Detail zeigt, wie aus Laborarbeit Ingenieursarbeit wird. Verglichen wurden zwei Konfigurationen auf der Kathodenseite. Die eine brachte etwas bessere Anfangswerte, die andere war mechanisch robuster und degradierte im Dauerbetrieb bei 1 A/cm² weniger. Das Team wählte für den Stack die robuste Variante. Wer im Labor auf die beste Kennlinie optimiert, entscheidet sich vielleicht anders. Wer einen Stack auf Lebensdauer auslegt, sollte das nicht.
Große Zelle: rund 400 cm², ohne Flussfeld
Die große Zelle ist für 408 cm² ausgelegt; für die Tests wurde die aktive Fläche auf 324 cm² begrenzt, um die Membranränder zu schützen. Sie nutzt ein quadratisches Design ohne Flussfeld, das teure Fräsarbeiten einspart und Verschnitt reduziert. Für diesen ersten großflächigen Test wurden unsere OXYGN™ und H2GN™ Elektroden und unser AionFLX™ Ionomer mit einer kommerziellen Referenzmembran kombiniert.
- 2 A/cm² bei 2,07 V in 0,1 M KOH, nur wenige zehn Millivolt vom 2-V-Ziel entfernt. Bei hoher Stromdichte schnitt die große Zelle sogar besser ab als die kleinen, trotz höheren Serienwiderstands.
- Faraday-Effizienz von 98,2–98,9 %, gemessen mit einem Massendurchflussmesser bei 0,20–0,37 A/cm².
- Rund 110 Stunden stabiler Betrieb mit nur leichter Drift – trotz zweier ungeplanter Unterbrechungen durch den Teststand.
Warum das wichtig ist
Viele AEM-Ergebnisse kommen nie über 5 cm² hinaus. D3.1 dokumentiert öffentlich und von Partnern geprüft, dass CRM-freie, PFAS-freie AEM-Materialien in verdünntem Elektrolyten rund 2 A/cm² bei knapp 2 V liefern können – und das auch bei nahezu stackrelevanten Zellgrößen. Diese Ergebnisse flossen direkt in den 6-kW-Short-Stack und das 100-kW-System von HYScale ein, die wir in unserem Stack-Beitrag beschreiben.
Sie entwickeln AEM-Zellen oder -Stacks? Die in D3.1 verwendeten Materialien erhalten Sie bei uns als OXYGN™ Elektroden, H2GN™ Elektroden, AionFLX™ Ionomer und AionFLX™ Membranen.
HYScale wird von der Clean Hydrogen Partnership und ihren Mitgliedern im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101112055 gefördert.