Die Wasserelektrolyse, eine vielversprechende Technologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, wandelt elektrische Energie in Wasserstoff und Sauerstoff um. Wasserelektrolyseure mit Anionenaustauschmembranen (AEM) haben aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihres geringen Gewichts große Aufmerksamkeit erregt. Ihre Kommerzialisierung wird jedoch seit langem durch die sogenannte „Anfangsdegradation“ erschwert – einen schnellen Spannungsanstieg während der ersten Betriebsstunden, der die Effizienz deutlich verringert und einen höheren Energiebedarf für die Erzeugung der gleichen Wasserstoffmenge verursacht.

Professor Youngkook Kwon und sein Forschungsteam an der School of Energy and Chemical Engineering des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea haben kürzlich einen bedeutenden Durchbruch erzielt. Sie entdeckten, dass der frühe Leistungsabfall von Wasserelektrolyseuren entgegen früherer Annahmen hauptsächlich auf der Kathodenseite entsteht. Über 90 % dieses frühen Leistungsabfalls werden durch die Ansammlung von Platin(Pt)-Katalysatorpartikeln an der Kathode verursacht, wo Wasserstoff freigesetzt wird. Diese Ansammlung wird hauptsächlich durch das Vorhandensein von Wasser an der Kathode verursacht.

Um die Ursache des Leistungsverlusts genau zu identifizieren, verzichtete das Forschungsteam auf die traditionelle Zwei-Elektroden-Messmethode (die leicht zu Verwechslungen der Elektroden führt und den Leistungsverlust oft auf die Anode zurückführt) und verwendete stattdessen eine neuartige, vom Team unabhängig entwickelte Drei-Elektroden-Analysemethode. Durch gezielte Analysen bestätigte das Forschungsteam, dass der Betrieb unter Trockenkathodenbedingungen das Problem des frühen Leistungsverlusts wirksam lindern kann.

Experimentelle Daten zeigten, dass sich der Spannungsanstieg nach der Einführung des Trockenkathodenbetriebs innerhalb der ersten 40 Stunden fast halbierte und von etwa 163 mV auf 96 mV sank. Dies belegt, dass die Wasserstoffproduktion langfristig stabil durchgeführt werden kann. Der Hauptautor der Studie, Tae-Hoon Kong, erklärte, dass auf der Anodenseite typischerweise ausgereifte Nassbetriebsbedingungen herrschen, auf der Kathodenseite jedoch gemischte Trocken-Nass-Bedingungen herrschen. Eingespeicherte Feuchtigkeit fördert die Aggregation von Platinpartikeln, was zu einer anfänglichen Degradation führt.

Die Forschungsergebnisse wurden online in den ACS Energy Letters veröffentlicht. Professor Kwon betonte, dass die AEM-Wasserelektrolyse zwar großes Potenzial für die Produktion von grünem Wasserstoff birgt, ihre Kommerzialisierung jedoch durch einen schnellen Leistungsabfall in der Anfangsphase stark behindert wird. Diese Studie zeigt, dass einfache betriebliche Anpassungen, wie die Einführung trockener Kathodenbedingungen, die Langzeitstabilität des Systems deutlich verbessern und so einen praktikablen Weg für die kommerzielle Nutzung eröffnen. Darüber hinaus kann diese innovative Analysemethode umfassend in der Entwicklung von Elektrodenmaterialien, der Haltbarkeitsbewertung und der Optimierung des Elektrodendesigns eingesetzt werden und trägt so zur Weiterentwicklung der elektrochemischen Energietechnologie bei.

Weitere Informationen: Tae-Hoon Kong et al., „Die Kathode ist ein Schlüsselfaktor für die anfängliche Degradation von Wasserelektrolyseuren mit Anionenaustauschmembran“, ACS Energy Letters (2025).