Die PEMEL erfreut sich insbesondere in Europa großer Beliebtheit und zeichnet sich durch ihre hohe Energieeffizienz und Kompatibilität mit intermittierenden erneuerbaren Energiequellen aus.

Der PEM-Elektrolyseur teilt viele Materialien und Komponenten mit der PEM-Brennstoffzelle (PEMFC) und profitiert stark von den Fortschritten im Brennstoffzellensektor. Die von der NASA initiierte PEMFC-Technologie hat sich erheblich weiterentwickelt, sodass sowohl der PEM-Elektrolyseur als auch die PEMFC zu relativ etablierten Technologien geworden sind. Dennoch stehen sie weiterhin vor zahlreichen Herausforderungen.

Der boomende Markt für grünen Wasserstoff treibt die Nachfrage nach Elektrolyseuren an, was wiederum die Nachfrage nach Elektrolyseurmaterialien und -komponenten erhöht. Dieser Aufschwung bietet Material- und Komponentenlieferanten sowie verschiedenen Branchenakteuren eine bedeutende Chance, von diesem Wachstum zu profitieren, Innovationen voranzutreiben und neue Produkte einzuführen.

Vereinfachtes Diagramm der Komponenten einer Protonenaustauschmembran-Elektrolysezelle (PEMEL). Quelle: IDTechEx

Protonenaustauschmembran (PEM)

Die Protonenaustauschmembran (PEM) bildet das Rückgrat des Elektrolyseurs und befindet sich zwischen Kathode und Anode. PEMs ermöglichen den Transport von Protonen (H+-Ionen) von der Anode zur Kathode. Sie gewährleisten zudem die elektrische Isolation zwischen den Elektroden und stellen sicher, dass die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen getrennt ablaufen. Dies führt zur Produktion von hochreinem Wasserstoff und verhindert die Vermischung von Gasen, insbesondere von Wasserstoff und Sauerstoff.

Die Membranen bestehen aus perfluorierten Sulfonsäure-Ionomeren (PFSA). Nafion, eine Marke von Chemours (ursprünglich von DuPont entwickelt), ist das bekannteste und am weitesten verbreitete Material in PEMELs und PEMFCs. Der Markt wird von etablierten Unternehmen wie Chemours und WL Gore & Associates dominiert. Diese Unternehmen arbeiten jedoch kontinuierlich an der Weiterentwicklung ihrer Produkte, um eine bessere Leistung zu erzielen.

Die größte Herausforderung bei der Verbesserung von PEMs besteht darin, Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit in Einklang zu bringen. Denn eine höhere Leistung erfordert dünnere Membranen zur Verbesserung der Leitfähigkeit; dies führt jedoch zu einer stärkeren Wasserstoff-Sauerstoff-Wechselwirkung und einem schnelleren Membranabbau. Eine gängige Methode zur Minderung dieser Probleme ist die Verwendung einer Verstärkungsschicht, beispielsweise aus expandiertem Polytetrafluorethylen (PTFE), auf die das PFSA-Ionomer aufgebracht wird.

Die Bewältigung der Herausforderungen bei der Verbesserung der Membranleistung durch neue Verbundwerkstoffe ist entscheidend für den technologischen Fortschritt. Trotz dieser Herausforderungen bleiben PFSA-Membranen aufgrund fehlender geeigneter, leicht verfügbarer Alternativen das dominierende Material. Daher besteht ein bedeutender Markt für diese Membranen in der Elektrolyseur- und Brennstoffzellenindustrie.

Katalysatoren aus Platingruppenmetallen und katalysatorbeschichtete Membranen (CCM)

Platin (Pt) und Iridium (Ir) katalysieren die elektrochemischen Reaktionen der Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklung im Elektrolyseur. Die neuesten Materialien sind Platin auf Ruß (Pt/C) für die Kathode und Iridiumschwarz (Ir) oder Iridiumoxid (IrOx) für die Anode.

Die Katalysatoren werden mit PFSA-Ionomerharzen zu einer Tinte kombiniert, die anschließend auf die Membran aufgetragen wird. Dadurch entsteht die katalysatorbeschichtete Membran (CCM). Die CCM-Herstellung ist ein zentrales Forschungsgebiet, da die Leistung von Elektrolyseuren maßgeblich von ihren Eigenschaften abhängt. Entscheidend ist die Entwicklung effizienter, kontinuierlicher Rolle-zu-Rolle-Verfahren für die CCM-Produktion, die einen gleichbleibenden Durchsatz, minimale Verluste an Katalysatortinten und eine hochautomatisierte Großproduktion gewährleisten.

Das wichtigste Forschungsziel ist die Reduzierung der Iridiumbeladung von Anoden. Die derzeitigen Beladungen von 1 bis 2,5 g/kW in PEM-Elektrolyseuren sind problematisch, da die zukünftige Nachfrage nach diesen Anlagen die weltweite Iridiumversorgung erheblich belasten könnte. Um diesem Problem zu begegnen, bringen Katalysatorhersteller wie Heraeus Precious Metals neue Produkte auf den Markt, die die Iridiumbeladung reduzieren. Dazu gehört Iridiumrutheniumoxid (IrRuOx), das bereits kommerziell eingesetzt wird. Langfristig werden jedoch neue, geträgerte Iridiumkatalysatoren (ähnlich wie Platin auf Kohlenstoff) benötigt, um die Abhängigkeit von der Iridiumversorgung zu verringern. Daher bieten sich erhebliche Chancen, neue Katalysatorprodukte zu entwickeln und zu vermarkten, die im Vergleich zu aktuellen Ir- und IrOx-Katalysatoren eine wettbewerbsfähige Leistung erbringen und gleichzeitig die Gesamt-Iridiumbeladung auf unter 1 g/kW reduzieren.

Gasdiffusionsschichten (GDL)

Gasdiffusionsschichten (GDLs), auch poröse Transportschichten (PTLs) genannt, sind eine weitere wichtige Komponente von PEMEL-Zellen. Diese Schichten befinden sich auf beiden Seiten der Elektroden und ermöglichen den Wassertransport zur Membran, die Entfernung der Produktgase (H₂ und O₂) von den Elektroden sowie den Elektronenfluss durch die Zelle.

Als Kathodenmaterial dient Kohlepapier aus Kohlenstofffasern, PTFE und Ruß. Die Anode besteht aus Titanfilz mit einer dünnen Platinschicht. Titan ist aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit auf der Anodenseite notwendig, während Platin für eine höhere elektrische Leitfähigkeit und zusätzliche Stabilität sorgt. Diese Materialien werden auch zukünftig in allen PEMEL-Batterien verwendet.

Das Kohlepapier wurde durch die Bemühungen der PEM-Brennstoffzellenindustrie entwickelt und ist mittlerweile ausgereift. Daher liegt der Entwicklungsschwerpunkt auf der Anodenseite, um die Dicke des Titanfilzes zu reduzieren, die Porosität zu optimieren und die benötigte Platinmenge zu verringern. Die Platinbeladung ist besonders wichtig und kann durch fortschrittliche Beschichtungstechnologien wie die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) reduziert werden.

Bipolarplatten

Die Bipolarplatten dienen als physikalische Barriere zur Trennung der Zellen. Wichtiger noch: Sie leiten Elektronen von der Anode einer Zelle zur Kathode der anderen und bilden zudem Kanäle für den Wasser- und Gasfluss innerhalb der Zellen. Im Gegensatz zu PEM-Brennstoffzellen, die Graphit-Bipolarplatten verwenden können, nutzen PEM-Elektrolyseure Titanplatten, die korrosionsbeständiger sind. Um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen und den elektrischen Kontaktwiderstand zu verringern, sind – ähnlich wie bei Titan-Bipolarplatten – Gold- bzw. Platinbeschichtungen auf der Kathoden- bzw. Anodenfläche erforderlich.

Auch diese Komponenten profitieren von der Fertigung hochentwickelter metallischer Bipolarplatten im PEM-Brennstoffzellensektor. Zu den Unternehmen, die Fertigungstechnologien für diese Platten anbieten, gehören unter anderem Dana Inc., Schuler und Elcon Precision. Jeder Hersteller nutzt unterschiedliche Technologien mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen. Trotz des hohen Entwicklungsstands können die Hersteller die Produktion durch die Reduzierung von Materialverschwendung und die Beschleunigung der Produktionslinien weiter optimieren.

Die Beschichtung von Bipolarplatten bietet großes Potenzial für neue Konzepte. So können beispielsweise fortschrittlichere Beschichtungstechnologien wie PVD den Einsatz von Edelmetallen reduzieren. Auch Alternativen zu Titan könnten die Herstellungskosten senken. Dies erfordert Experimente mit verschiedenen Metalllegierungen und Materialkombinationen, etwa titanbeschichtetem Edelstahl. Letzterer gilt als vielversprechende Option, muss aber noch umfangreichen Tests im kommerziellen Betrieb unterzogen werden.

Dichtungen und Dichtungsmaterialien

Dichtungen werden bei der Konstruktion von Elektrolyseur-Stacks oft vernachlässigt, sind aber ebenso wichtig. Sie dienen als Dichtungselemente und bilden eine Schnittstelle zwischen verschiedenen Komponenten wie den Bipolarplatten und dem Separator. Diese präzise gefertigten Barrieren gewährleisten, dass Gase, Wasser und Zellbestandteile wie gewünscht eingeschlossen und getrennt bleiben. Dichtungen bestehen typischerweise aus dünnen Folien oder Bändern, die zwischen den Bipolarplatten angebracht sind.

Dichtungsmaterialien werden typischerweise so ausgewählt, dass sie eine geringe Wasserstoffdurchlässigkeit aufweisen, um Leckagen zu verhindern, und gleichzeitig gegenüber den sauren und oxidierenden Bedingungen des Elektrolyseurs chemisch beständig sind. Sie müssen außerdem über ausreichende Kompressibilität und mechanische Eigenschaften verfügen, um Druckkräften standzuhalten. Typische Materialien sind Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), fluorierter Kautschuk (FKM), PTFE und Silikon.

Vorgeformte Dichtungen sind am weitesten verbreitet. Sie werden im Spritzgussverfahren passgenau für den Elektrolyseurstapel gefertigt. Die komplexen Konstruktionen von Bipolarplatten erfordern eine präzise Abdichtung. Daher arbeiten Dichtungshersteller häufig mit Elektrolyseur- oder Bipolarplattenherstellern zusammen. Dies ermöglicht es dem Hersteller, die Dichtungen direkt auf die Kundenkomponenten aufzubringen und diese zu versenden. Innovationsstrategien im Bereich Dichtungen konzentrieren sich auf die Optimierung von Material und Fertigungsprozess sowie auf die Eliminierung des Applikationsprozesses durch die Bereitstellung von Harzen, die Kunden selbst auftragen und aushärten können.

Marktausblick und strategische Perspektiven

Der Markt für Elektrolyseurkomponenten steht vor einem signifikanten Wachstum. IDTechEx prognostiziert einen beeindruckenden Marktwert von 31,7 Milliarden US-Dollar bis 2034. Dieses Wachstum wird primär durch die rasante Entwicklung der grünen Wasserstoffindustrie getrieben. Wie dieser Artikel zeigt, bietet dieser Markt erhebliche Chancen für die Komponentenversorgung und Innovationen.

Der IDTechEx-Bericht „Materialien für die Produktion von grünem Wasserstoff 2024–2034: Technologien, Akteure, Prognosen“ bietet ähnliche Informationen zu den in alkalischen Wasserelektrolyseuren (AWE), Anionenaustauschmembran-Elektrolyseuren (AEMEL) und Festoxid-Elektrolyseuren (SOEC) verwendeten Materialien und Komponenten. Er enthält umfassende Listen von Anbietern von Elektrolyseur-Stacks, Komponenten und Materialien sowie Fallstudien zu wichtigen kommerziellen Innovationen in diesem Sektor.
Darüber hinaus liefert der Bericht detaillierte 10-Jahres-Marktprognosen, die die Nachfrage nach Materialien und Komponenten in Tonnen, Quadratmetern (m²) und Millionen US-Dollar jährlich quantifizieren. Der Bericht bietet Ihnen tiefgreifende Einblicke in aktuelle Trends und wichtige Chancen auf dem Markt für Wasserelektrolyseur-Komponenten.

Autor: Chingis Idrissov, Technologieanalyst bei IDTechEx