H2Giga_PEP.IN: Design der PEM-Elektrolyse von morgen

»PEP.IN« ist Teil des Wasserstoffleitprojekts H₂Giga des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Die Abkürzung steht für Industrialisierung der PEM-Elektrolyse-Produktion. Sprich: Die Projektpartner optimieren Verfahren und Geräte, um Elektrolyseure und Elektrolyse-Stacks in Massenfertigung zu produzieren. Bestandteile dieser Arbeiten sind sowohl die Erforschung einer Produktionsanlage für Elektrolyse-Stacks und Elektrolyseure als auch die konsequente Weiterentwicklung der Elektrolyse-Stacks hin zu einer möglichst einfachen und kostengünstigen Produzierbarkeit.

Vor diesem Hintergrund entwickelt Fraunhofer UMSICHT im »PEP.IN«-Teilprojekt »Design of Tomorrow« ein neuartiges Stack-Design für die PEM-Elektrolyse auf Basis von Komposit-Bipolarfolien aus dem eigenen Kalandrierverfahren. Das Stack-Design soll ausschließlich aus thermoplastischen Zellkomponenten (Bipolarfolie, Rahmenelemente, Membran-Elektroden-Einheit) und über übliche Fügeverfahren (Laser- oder Ultraschallschweißen) gefertigt werden. So können im Elektrolyse-Stack hunderte Dichtflächen durch robuste Schweißnähte ersetzt werden. Teilziele sind die Qualifizierung der thermoplastischen Bipolarfolie für die Anwendung in der PEM-Elektrolyse, die Entwicklung thermoplast-fügbarer Membran-Elektroden-Einheiten sowie eines Stack-Designs, welches als Short-Stack demonstriert werden soll.

Der Markthochlauf für Elektrolyseure zur Produktion grünen Wasserstoffs ist in der Nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung verankert und schreibt einen Ausbau der Wasserstoffkapazität von 10 Gigawatt bis 2030 fest. Um diese Ziele zu erreichen, sollen in H₂Giga neuartige Verfahren zur wettbewerbsfähigen und serienmäßigen Produktion von Elektrolyseuren in Deutschland identifiziert und erprobt werden, um so grünen Wasserstoff bezahlbar und wettbewerbsfähig zu machen.

Das in »Design of Tomorrow« entwickelte Stack-Konzept von Fraunhofer UMSICHT verspricht im Gegensatz zum Stand der Technik eine hohe Materialeffizienz durch die Verwendung alternativer, polymerer Werkstoffe für Bipolarfolien sowie grundlegend neu gedachte Zell- und Stackkonzepte auf Basis stoffschlüssig gefügter Komponenten. So bieten die Bipolarfolien – anders als beispielsweise Bipolarfolien aus Titan – elektrische Leitfähigkeit durch die Verwendung eines hochgefüllten Komposits aus Kohlenstoff und Thermoplast bei gleichzeitig kostengünstiger und kontinuierlicher Fertigung über das Pulver-zu-Rolle-Kalandrierverfahren. Zugleich können durch das stoffschlüssige Fügen der Bipolarfolie, Rahmenelemente und Membran-Elektroden-Einheiten jegliche Dichtungen in der Elektrolysezelle ersetzt werden. So lassen sich die Anzahl der Komponenten in der Zelle drastisch reduzieren, wodurch die Anzahl der Stapelvorgänge und somit der Assemblierungsaufwand gleichermaßen verringert werden. Zudem werden durch den Fügevorgang anfällige Dichtflächen eliminiert und durch robuste Schweißnähte ersetzt, was erheblich zu einer Verringerung des Produktionsausschusses beiträgt.

• Ein mit Thermoplasten fügbares Membranlaminat wurde entwickelt.
• Das Zellkonzept wurde labormaßstäblich in einem Short-Stack mit insg. ca. 100 cm² Zellfläche erfolgreich dargestellt
• Der Langzeitbetrieb der kohlenstoffbasierten Bipolarfolie wurde in beschleunigten Stresstests über 500 Stunden demonstriert, ohne dass eine Kohlenstoffkorrosion beobachtet werden konnte.

• MAN Energy Solutions SE (Koordination)
• H-TEC Systems GmbH
• AUDI AG
• VAF GmbH
• Fraunhofer ISE
• Fraunhofer IPA
• Zentrum für Brennstoffzellentechnik GmbH
• Forschungszentrum Jülich GmbH