Fraunhofer ISE bemutatja az ultra-vékony szállítórétegeket az elektrolízishez

Végső mikroporózus réteg egy titánszál szubsztráton a szitázási folyamat után. Egy következő lépésben a két réteget szinterezik. A mikroporózus réteg csökkentett felületi érdességgel lehetővé teszi az optimalizált interfészt a katalizátorréteggel. Ennek eredményeként az irídium alapú katalitormennyiség csökkenthető, és vékonyabb membránok is lehetségesek. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

A paszta, amely titánporból, oldószerből és adalékanyagokból áll, a nyomóhálóra kerül felvitelre. Ezután a pasztát a nyomókaparóval a hálón keresztül vékony mikroporózus rétegként viszik fel egy titánszál-alapra. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

A lézeres szkennerek mikroszkópos felvétele a felületi egyenetlenség jelentős csökkenését mutatja. © Fraunhofer ISE / A lézeres szkenneléses mikroszkópiás kép a felületi egyenetlenség jelentős csökkenését mutatja. © Fraunhofer ISE

A zöld hidrogén gyártásához az elektrolízis során a protoncsere-membránok (PEM) az egyik legígéretesebb technológia. A PEM-elektrolizátorok anyag- és gyártási költségeinek csökkentése érdekében a Fraunhofer Napenergia Rendszerek Intézete (ISE) skálázható gyártási eljárásokat kutat. Most először sikerült ultrafinom, titanból készült porózus szállítószinteket előállítani szitázási eljárással, ezáltal csökkentve a katalizátormaterialok költségeit. Ehhez ipari méretekben alkalmazható skálázható berendezéseket használtak. A Hannoveri Vásáron (2023.03.31.-04.04., 13. terem, C41) az intézet további innovációk mellett mintákat mutat be az optimalizált mikroporózus szállítószintből. 

A PEM-elektrolízis központi technológia a zöld hidrogén gazdaságának piacra lépésében, mivel magas áramerősséggel és megújuló energiaforrásokból származó rugalmas áramellátással működtethető. Kulcsfontosságú a teljesítményében a katalitikus bevonattal ellátott membrán mellett a porózus szállítószintek (Porous Transport Layers, PTL). »A katalitikus bevonattal ellátott membrán „tüdőjeként” a PTL többek között a víz és gázok szállításáért felelős. A PTL és azok felületi tulajdonságainak optimalizálása nagy lépés a költségcsökkentés és a teljesítmény növelése felé a PEM-elektrolízisben« – magyarázza Stefan Bercher projektvezető, a Fraunhofer ISE-től.

A felületi tulajdonságok javítása érdekében finomporózus titánrétegeket (microporous layers, MPL) visznek fel a PTL réteg és a katalitikus bevonattal ellátott membrán közé. Ezek alacsony felületi egyenetlenségüknek köszönhetően lehetővé teszik a jelentősen csökkentett irídium tartalmú katalizátorrétegek alkalmazását, mivel javítják a katalizátor kötését és kihasználását. Emellett megkönnyítik vékonyabb membránok alkalmazását, ezáltal csökkentve az ohmos veszteségeket. A Fraunhofer ISE kutatócsoport célja az volt, hogy az titán alapú MPL-t optimálisan hangolják a kontaktusban lévő katalitikus réteggel, és lehetőleg finomra készítsék, mivel ezek az anyagok a fő költségtényezők az elektrolízis cellákban. »A Fraunhofer ISE-nél több évtizedes tapasztalattal rendelkezünk a PEM-elektrolízis komponenseinek gyártásában és jellemzésében. Ezt a know-how-t az interfész mérnöki munkában alkalmazzuk, hogy mindkét réteget közösen, nem pedig külön-külön optimalizáljuk« – magyarázza Tom Smolinka, az Elektrolízis és Hidrogén Infrastruktúra osztályvezetője.

Sikeres Proof-of-Concept szitázási eljárással

A Fraunhofer ISE a mikroporózus MPL-struktúrák nyomtatásához a szitázási eljárást alkalmazza, amelyhez hosszú évek tapasztalatát a fotovoltaikus iparban szerezte. Mivel a szitázás precíz kontrollt tesz lehetővé a rétegek vastagsága és szerkezete felett, a projektcsapat nagy potenciált lát a technológiában.

A tesztsorozatok során vizsgálták, hogy a mikroporózus szállítószintekkel bevont PTL-ek jobb eredményeket érnek-e el, mint a kereskedelmi forgalomban elérhetőek. A gyártási lépéseket és paramétereket, a tinta titán részecskékkel való keverésétől a szitázási folyamatig, ipari berendezéseken keresztül optimalizálták. A MPL réteget a durvább PTL-re felvitték, majd a felületi egyenetlenséget és a teljesítőképességet mértek. »Nagyon finom, kb. 20 µm vastag rétegeket tudtunk nyomtatni, és a felületi egyenetlenséget 46 százalékkal csökkentettük. Ez javítja a katalizátorréteg érintkezését, ahol az értékes drága irídium tartalom folyamatosan csökken«, mondja Stefan Bercher. Ez kulcsfontosságú az európai célok elérésében az anyagmegtakarítás és a piacra lépés szempontjából, különösen a korlátozott erőforrások mellett. Most a kutatócsoport ipari partnereket keres a mikroporózus réteg további optimalizálásához és testreszabásához.

További innovációk a Fraunhofer ISE-től a Hannoveri Vásáron:

A Fraunhofer ISE standján a „Hydrogen+ Fuel Cells Europe” kiállítás keretében további innovációk is megtekinthetők:

A PTL és MPL gyártása mellett a Fraunhofer ISE további egyedi eljárásokat vizsgál membrán-elektroda egységek (MEA) gyártására elektrolízishez és üzemanyagcellákhoz, a laboratóriumi szinttől az ipari méretig. A kutatók széles körű tapasztalattal rendelkeznek a folyamat- és tintafejlesztés terén szitázási és szitázó szárnyas technológiákhoz. A standon különböző MEA-terveket mutatnak be, csökkentett drága fém tartalommal, kereskedelmi forgalomban elérhető anyagok felhasználásával.

A „Vízenergia-infrastruktúra” 3D-s kiállítás bemutat egy tipikus helyi, zárt hidrogén-infrastruktúrát, amely regionális termelést, elosztást és tárolást foglal magában, de kapcsolódási pontokat is kínál nemzeti és nemzetközi infrastruktúrákhoz. Ez a Fraunhofer ISE teljes értékláncban szerzett szakértelmét mutatja be a hidrogén-értéklánc minden szakaszában.

Előadások a Fraunhofer ISE-től a Hannoveri Vásáron

2023. március 31., 15:00-15:20, Nyilvános Fórum, 13. terem: Prof. Dr. Christopher Hebling: „A korlátoktól a hidakig: kihívások és megoldások a globális hidrogénpiacon”

2023. április 1., 11:00-12:30, Műszaki Fórum, 13. terem: „Hidrogén a Fraunhoferben” előadások

Első szekció: Hidrogén-előállítás „Elektrokémiai teljesítmény és gyártás”: Stefan Bercher: „Az elektróda és a PTL közötti interfész optimalizálása a PEM víz elektrolízis cellákban a jobb elektrokémiai teljesítmény érdekében”