Iridium und Platin-Katalysatoren für PEM-Elektrolyseure

Es gibt mehrere Elektrolysetechnologien, wobei die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) gegenüber der alkalischen und der Festoxid-Elektrolyse an Bedeutung gewinnt. Es wird erwartet, dass die PEM-Elektrolyse eine wichtige Rolle beim Übergang zu einer Wasserstoffwirtschaft spielen wird.

Aufgrund ihrer schnellen Reaktionszeit sind PEM-Elektrolyseure die geeignete Lösung für die Speicherung von Leistungsspitzen aus erneuerbarer Energie. Darüber kann durch die hohe Stromdichte im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse mehr Wasserstoff aus kleineren Anlagen produziert werden. Zudem können PEM-Elektrolyseure direkt an Tankstellen angeschlossen werden, weil der Wasserstoff mit ausreichend hohem Druck austritt.

Die Erzeugung von grünem Wasserstoff mit PEM-Elektrolyse ist ein gutes Konzept zur Speicherung, Transport und die Nutzung der erzeugten erneuerbaren Energie. Dabei ist die Skalierung und Kostenreduzierung von grünem Wasserstoff ein wesentlicher Schritt zur Verringerung des weltweiten Kohlendioxid-Fußabdrucks.

Anoden Katalysatoren für PEM-Elektrolyseure

Heraeus beschäftigt sich seit mehr als 160 Jahren mit Edelmetallen. Das fundierte Fachwissen über Edelmetallkatalysatoren fließt auch in die innovativen PEM-Elektrolyseur-Katalysatoren ein.

Das Produktportfolio umfasst Elektrolyseur-Katalysatoren mit unterschiedlichen Edelmetallgehalten. In unseren voll ausgestatteten Labors und unserem Testzentrum vor Ort testen wir unsere Lösungen, damit sie perfekt zu Ihren Anforderungen passen.

Mit der Entwicklung von PEM-Elektrolyseur-Katalysatoren mit deutlich reduzierter Edelmetallbeladung ist Heraeus eine wegweisende Innovation gelungen. H₂-EL-xxIrO-S, ein niedrigbeladener Kat auf einem Trägermaterial, bietet Ihnen eine bis zu dreimal höhere Katalysatorleistung bei gleichzeitiger Reduzierung der Edelmetallbeladung der CCM um 50-90 % im Vergleich zu früheren Generationen.

Die neueste Heraeus Innovation ist ein Ruthenium -basierter Katalysator für die PEM Wasserelektrolyse. Ebenso wie Iridium kann Ruthenium die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) katalytisch in Gang setzen, die bei der PEM-Elektrolyse eine entscheidende Rolle spielt. Ruthenium weist sogar eine überlegene katalytische Aktivität im Vergleich zu Iridium auf, jedoch fehlte entsprechenden Katalysatoren bisher die erforderliche Stabilität unter den anspruchsvollen Bedingungen eines PEM-Elektrolyseurs. Das Konzept von Heraeus löst dieses Problem, indem es sowohl Ruthenium- als auch Iridiumoxid auf innovative Weise kombiniert: Hierdurch kann die nötige Stabilität erreicht und gleichzeitig die gesteigerte katalytische Aktivität von Ruthenium genutzt werden.

Die neue Ruthenium-Iridiumoxid-Materialklasse weist eine immense Aktivitätssteigerung auf. Der Katalysator erreicht eine um bis zu 50-mal höhere Massenaktivität als Iridiumoxid, bleibt aber, im Gegensatz zu reinem Rutheniumoxid, unter Betriebsbedingungen stabil. Die Stabilität der neuen Materialklasse wurde durch AD-Tests (Accelerated Degradation Tests) untersucht: Nach 30.000 Zyklen zeigte der neue Katalysator eine deutlich geringere Aktivitätsminderung als Rutheniumoxid und eine vergleichbare Stabilität wie Iridiumoxid.

Diese Ergebnisse sind vor allem deshalb von großer Bedeutung, weil die Verwendung niedrig geladener Iridium Katalysatoren für die Elektrolyse beim Wasserstoffhochlauf eine wichtige Rolle spielen wird.

Ein Elektrolyseur besteht aus ca. 50-150 Elektrolysezellen, die einen Stack bilden. Zwischen den Zellen eines Stacks befinden sich so genannte Bipolarplatten, die die einzelnen Zellen voneinander trennen und das Wasser und die Produktgase zur Membran und von dieser weg transportieren. Außerdem leiten die Bipolarplatten den Strom und tragen zur Kühlung des Systems bei.

Es gibt mehrere Alternativen für Bipolarplattenmaterialien. Wenn Metalle gewählt werden, müssen die Bipolarplatten mit einem Edelmetall, z. B. Platin, beschichtet werden, um das Metall vor Korrosion zu schützen. Durch die hohe elektrische Spannung in den Zellen würden sonst unerwünschte elektrochemische Prozesse in Gang gesetzt, die zur Oxidation und damit zur Zersetzung der Bipolarplatte führen. Die Beschichtung verhindert die Degradierung des Materials und trägt zur Verlängerung der Lebensdauer und Leistung bei.

Bei der Verwendung von Platin DNS werden die Bipolarplatten in einem galvanischen Prozess mit einer dünnen Platinschicht beschichtet. Heraeus liefert Platin DNS in bewährter Qualität nach Ihren spezifischen Anforderungen. Nehmen Sie Kontakt auf.

Auch wenn die Platinbeschichtung dazu beiträgt, die Lebensdauer des Elektrolyseur-Stacks zu verlängern, wird er dennoch irgendwann das Ende seiner Lebensdauer erreichen. Doch auch dann sind die Edelmetalle nicht verloren:
Durch Edelmetallrecycling schließen Sie den Kreislauf und gewinnen die wertvollen Rohstoffe aus den CCMs und Bipolarplatten zurück. Heraeus bietet Ihnen langjährige Erfahrung mit der Verarbeitung von Produktionsabfällen und Verbrauchsmaterialien aus der Wasserstoffindustrie.

Der Großteil des heute produzierten Wasserstoffs stammt aus einem Alkaliwasserelektrolyseur (AWE). Diese Technologie gibt es schon seit Jahrzehnten und basiert in der Regel nicht auf Edelmetallen. In vielen Fällen war und ist sie die favorisierte Methode, wobei sich inzwischen einige Bereiche herauskristallisieren, in denen die PEM-Elektrolyse Vorteile aufweist, z. B. wenn es um hohe Schwankungen der Stromeinspeisung geht, wie sie insbesondere für grüne Energie typisch sind.

Wie erwähnt, werden bei der Alkali Wasser Elektrolyse typischerweise keine Edelmetalle eingesetzt. Aufgrund von Versorgungsengpässen bei einigen Materialien – wie Zirkoniumdioxid und Nickel – werden jedoch derzeit auch alternative Materialien in Betracht gezogen, von denen einige Platingruppenmetalle enthalten.

Wenn Sie an dem Beitrag von Edelmetallen für die AWE-Elektrolyse interessiert sind, stehen Ihnen unsere Experten gerne zur Verfügung.

Bei der SOE (Solid Oxide Electrolyse, Feststoffoxidelektrolyse) läuft eine SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), also eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle im reversen Modus. Statt mit der Brennstoffzelle Strom aus Wasserstoff zu gewinnen, wird eine Spannung angelegt und Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Die eigentliche Zelle kann also zu beiden Zwecken genutzt werden: zur Generierung von Wasserstoff ebenso wie zur späteren Verwendung des Wasserstoffs zu Stromrückgewinnung.

In der SOEC (Solid Oxide Electrolyser Cell) bzw. SOFC selbst werden selten Edelmetalle verbaut. Jedoch wird sie oft im Zusammenhang mit industriellen Prozessen eingesetzt, bei denen Abwärme entsteht, weil dann die benötigten hohen Betriebstemperaturen bereits zur Verfügung stehen. In diesen Prozessen sind dann häufig an anderer Stelle edelmetallhaltige Komponenten involviert.

Für die Brennstoffaufbereitung liefert Heraeus katalytische Lösungen für die Reformierung, Wassergasverschiebung oder Gasreinigung z.B. durch Präferentielle Oxidation (PROX) oder Selektive Methanisierung - alles zugeschnitten auf die Bedürfnisse eines unabhängigen dezentralen Anlagenbetriebs. Weitere HeraPur^® Reinigungstechnologien finden Sie auf unserer Seite für Gasreinigung oder bei unseren Lösungen für den Brennstoffzellenbetrieb.

Wie bei anderen Elektrolysearten kann auch bei der SOE der Wasserstoff einfach von unerwünschten Bestandteilen gereinigt werden. Mehr hierzu finden Sie unter Wasserstoff-Reinigung.