Fraunhofer ISE představuje ultratenké transportní vrstvy pro elektrolyzéry

Finální mikroporózní vrstva na titanovém vláknovém substrátu po procesu sítotisku. V následujícím kroku jsou obě vrstvy sinterovány. Mikroporózní vrstva s redukovanou povrchovou drsností umožňuje optimalizované rozhraní k vrstvě katalyzátoru. Díky tomu lze snížit zatížení katalyzátoru iridiem a jsou možné tenčí membrány. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

Past na bázi titaniového prášku, rozpouštědla a přísad se nanáší na tiskovou síť. Poté se pasta pomocí tmelu protlačí přes síť jako tenká mikroporózní vrstva na titanové vláknové podložce. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

Fotografie laserového skenovacího mikroskopu ukazuje výrazné snížení povrchové drsnosti. © Fraunhofer ISE / Obrázek laserového skenovacího mikroskopu ukazuje významné snížení povrchové drsnosti. © Fraunhofer ISE

Pro výrobu zeleného vodíku elektrolytickým rozdělením jsou protonově-výměnné membrány (PEM) jednou z nejperspektivnějších technologií. Aby se snížily materiálové a výrobní náklady na PEM elektrolyzéry, Fraunhoferův ústav pro solární energetické systémy ISE vyvíjí škálovatelné výrobní postupy. Nyní se poprvé podařilo pomocí tiskařského procesu vyrobit ultrajemké porézní transportní vrstvy z titanu a tím snížit náklady na katalytické materiály. Přitom byly použity průmyslové škálovatelné zařízení. Na veletrhu Hannover Messe (31.03.-04.04., hala 13, C41) představí ústav vedle dalších inovací vzorky optimalizované mikroporézní transportní vrstvy. 

PEM elektrolyzér je klíčovou technologií pro rozvoj trhu s zeleným vodíkem, protože může být provozován s vysokou hustotou proudu a flexibilní dodávkou energie z obnovitelných zdrojů. Klíčové pro jeho výkon jsou kromě katalyticky potažené membrány také porézní transportní vrstvy (Porous Transport Layers, PTL). »Jako „plíce“ katalyticky potažené membrány jsou PTL mimo jiné zodpovědné za transport vody a plynů. Optimalizace PTL a jejich povrchových vlastností je velkým hybatelem pro snižování nákladů a zvyšování výkonu PEM elektrolyzérů,« vysvětluje vedoucí projektu Stefan Bercher z Fraunhofer ISE.

Pro zlepšení povrchových vlastností jsou mezi PTL vrstvou a katalyticky potaženou membránou nanášeny jemnozrnné titaniové vrstvy (microporous layers, MPL). Díky jejich nízké drsnosti povrchu umožňují použití katalytických vrstev s výrazně sníženým obsahem iridia, protože výrazně zlepšují přilnavost a využití katalyzátoru. Navíc zjednodušují použití tenčích membrán, čímž se snižují ohmické ztráty. Cílem skupiny Fraunhofer ISE bylo optimalizovat titanové MPL tak, aby co nejlépe odpovídaly kontaktované katalytické vrstvě a byly co nejjemnější, protože tyto kovy patří mezi hlavní nákladové faktory v elektrolyzérech. »V ústavu Fraunhofer ISE máme desetileté zkušenosti s výrobou a charakterizací komponentů pro PEM elektrolyzéry. Toto know-how využíváme při inženýrství rozhraní, abychom optimalizovali obě vrstvy společně, nikoliv jako dříve odděleně,« vysvětluje Tom Smolinka, vedoucí oddělení elektrolyzérů a infrastruktury vodíku v Fraunhofer ISE.

Úspěšný proof-of-concept pomocí tiskařského procesu

Pro tisk ultrajemkých MPL struktur používá Fraunhofer ISE tiskovou techniku sítotisku, kterou ústav dlouhodobě využívá v oblasti fotovoltaiky. Protože sítotisk umožňuje přesnou kontrolu tloušťky a struktury vrstev, vidí projektový tým v této technologii velký potenciál.

Ve zkušebních řadách zkoumali vědci, zda vrstvy s mikroporézními transportními vrstvami (PTL) s povlakem dosahují lepších výsledků než komerčně dostupné. Přitom byly optimalizovány jednotlivé výrobní kroky a parametry tiskařského procesu, od míchání inkoustu s titanovými částicemi přes samotný tisk na průmyslových zařízeních až po sintrování. Při následné charakterizaci MPL vrstvy nanesené na hrubou PTL byla měřena především drsnost povrchu a výkon. »Dokázali jsme vytisknout velmi jemné vrstvy o tloušťce asi 20 µm a snížit drsnost povrchu o 46 procent. To zlepšuje kontakt s katalytickou vrstvou, ve které je stále více snižováno zatížení drahým kovem iridiem,« říká Stefan Bercher. To je klíčové pro dosažení evropských cílů v oblasti úspor materiálů a rozvoje trhu navzdory omezeným zdrojům. Nyní je výzkumný tým na lovu průmyslových partnerů pro další optimalizaci a přizpůsobení mikroporézní vrstvy zákaznickým porézním transportním vrstvám.

Další inovace Fraunhofer ISE na Hannover Messe:

Na stánku Fraunhofer ISE v rámci výstavy „Hydrogen+ Fuel Cells Europe“ jsou k vidění i další inovace:

Kromě výroby PTL a MPL zkoumá Fraunhofer ISE další zakázkové metody výroby membránových elektrody-soustav (MEA) pro elektrolyzéry a palivové články od laboratoře po průmyslovou výrobu. Vědci mají rozsáhlé know-how v oblasti vývoje procesů a inkoustů pro sítotisk a stříkací techniky. Na výstavním stánku představí různé designy MEA s nižším obsahem drahých kovů, vyrobené s komerčně dostupnými materiály.

3D exponát „Vodíková infrastruktura“ ukazuje typickou lokální, uzavřenou vodíkovou infrastrukturu s regionální výrobou, distribucí a skladováním, ale i s napojením na národní a mezinárodní infrastruktury. Tím představuje komplexní kompetence Fraunhofer ISE v celém řetězci hodnoty vodíku.

Přednášky Fraunhofer ISE na Hannover Messe

31. března, 15:00-15:20, veřejné fórum, hala 13: Prof. Dr. Christopher Hebling: „Od bariér k mostům: Výzvy a řešení globálního trhu s vodíkem“

1. dubna, 11:00-12:30, technické fórum, hala 13: Přednášky „Vodík od Fraunhofer“

Sezení 1: Výroba vodíku „Elektrochemický výkon a výroba“: Stefan Bercher: „Optimalizace rozhraní mezi elektrodou a PTL pro zvýšení elektrochemického výkonu v PEM vodíkových elektrolyzérech“