de.wedoany.com-Bericht: Der britische Elektrolyseur-Hersteller ITM Power und das Fluoropolymer-Unternehmen Gore haben bekannt gegeben, dass sie eine ultradünne Protonenaustauschmembran (PEM) nachgewiesen haben, die gleichzeitig höhere Effizienz und langfristige Haltbarkeit in der grünen Wasserstoffproduktion ermöglicht.
In einem Whitepaper von Gore veröffentlichte Ergebnisse zeigen, dass eine 50 μm verstärkte Membran 11.000 Stunden unter „industriell relevanten Bedingungen“ betrieben wurde, während sie eine niedrige Degradationsrate, geringe Wasserstoffpermeation und hohe Effizienz beibehielt.
Diese Prototypmembran ist deutlich dünner als viele der in heutigen kommerziellen Elektrolyseuren verwendeten PEM-Membranen, deren Dicke typischerweise zwischen 100 und 180 μm liegt.
Basierend auf mehreren Leistungsindikatoren wie Spannungsabfall, Wasserstoffpermeation und Fluoridfreisetzungsrate schätzen ITM und Gore, dass dieses Membrankonzept eine Betriebslebensdauer von etwa 80.000 Stunden erreichen kann.
Diese Zahl basiert auf einer Prognose aus beobachteten Degradationstrends und nicht auf tatsächlicher Betriebszeit.
Obwohl Hersteller stets bestrebt sind, die Membrandicke zu reduzieren, um den Widerstand zu verringern und die Effizienz zu steigern, werden dünnere Membranen traditionell mit erhöhter Wasserstoffpermeation und Degradationsproblemen in Verbindung gebracht.
In einem Webinar erklärte Dr. Naima Heck, technische Direktorin für Clean Energy EMEA bei Gore, dass die Branche zunehmend davon abweiche, das Membrandesign als einfachen Kompromiss zu betrachten.
Sie sagte: „Das diskutierte 50 μm-Konzept zeigt tatsächlich die Vorteile einer verbesserten Zelleffizienz, und es zeigt auch, dass ein stabiler und sicherer Betrieb über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden kann.“
Der neueste Prototyp kombiniert eine 50 μm verstärkte PFSA-Membran aus expandiertem Polytetrafluorethylen mit einem optimierten Verbundkatalysatordesign. Laut Whitepaper wurde die Membran über 11.000 Stunden in einem Kurzstapel mit einer aktiven Fläche von 130 cm² bei 55 °C, 3,3 A/cm² und einem Druckunterschied von 20 bar getestet.
Die Tests ergaben eine Spannungsabfallrate von 1,2 μV/h, was einer jährlichen Leistungsdegradation von weniger als 0,6 % entspricht. Die Wasserstoffpermeation blieb während des gesamten Tests unter 0,4 %, und die Effizienz lag zwischen 48,3 und 49,5 kWh/kg Wasserstoff.
Die beiden Unternehmen gaben an, dass die flächenspezifische Widerstandsreduzierung dieser Membran im Vergleich zum früheren 85 μm-Prototyp (der bereits 28.000 Stunden getestet wurde) um etwa 40 % und die Effizienzsteigerung um etwa 4 % betrug.
Während eines einjährigen Betriebs eines 10-MW-ITM-Elektrolyseurs in der Shell-Raffinerie Rheinland (insgesamt 30.000 Stunden) wurde eine durchschnittliche Effizienz von 49 kWh/kg Wasserstoff und eine Degradationsrate von 0,09 % pro 1.000 Betriebsstunden gemeldet.
Das Projekt wurde als Reaktion auf den von den beiden Unternehmen genannten Mangel an öffentlich zugänglichen Langzeit-Haltbarkeitsdaten von PEM-Elektrolyseuren unter kommerziellen Bedingungen gestartet.
Frederic Marchal, technischer Direktor von ITM, sagte, dass die Membranhaltbarkeit in der Branche oft missverstanden werde.
Er erklärte, dass die Zusammenarbeit darauf abziele, ein tieferes Verständnis des Membranverhaltens und der Degradationsmechanismen zu gewinnen, sodass beide Unternehmen die Leistungsgrenzen verschieben und gleichzeitig das technische Risiko reduzieren könnten.
Die beiden Unternehmen glauben, dass diese Arbeit letztendlich die Wasserstoffproduktionskosten senken könnte, indem der Strombedarf pro Kilogramm produziertem Wasserstoff reduziert wird.
Bei der Diskussion der wirtschaftlichen Auswirkungen sagte Heck: „Der offensichtlichste Punkt zur Kostensenkung ist zunächst, dass dünnere Membranen helfen können, den erforderlichen Energieeinsatz zu reduzieren, was zu niedrigeren nivellierten Wasserstoffkosten führt.“
Marchal sagte, dass die Auswirkungen über inkrementelle Verbesserungen hinausgehen könnten.
Er sagte: „Wir erwarten, dass die prozentuale Effizienzsteigerung zweistellige signifikante Werte erreichen wird, verglichen mit dem, was der heutige Stand der Technik erreicht. Es ist also disruptiv und wirkungsvoll.“
Obwohl sich die Membran noch in der Entwicklungsphase und nicht als kommerzielles Produkt befindet, gab Gore an, dass diese Erkenntnisse in die nächste Generation von PEM-Elektrolyseurmembranen einfließen.
Die beiden Unternehmen gaben außerdem an, dass diese Ergebnisse eine Plattform für die weitere Erforschung von Betrieb bei höheren Temperaturen, höheren Stromdichten und sogar noch dünneren Membrandesigns bieten.
