Fraunhofer ISE demonstruje ultrawąskie warstwy transportowe dla elektrolizerów

Ostateczna warstwa mikroporowata na podłożu z włókna tytanowego po procesie druku sitowego. W kolejnym kroku obie warstwy są spiekane. Mikroporowata warstwa o zmniejszonej chropowatości powierzchni umożliwia zoptymalizowany interfejs do warstwy katalizatora. W rezultacie można zmniejszyć obciążenie katalizatorem z irydu, a także stosować cieńsze membrany. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

Pasta składająca się z proszku tytanowego, rozpuszczalnika i dodatków jest nanoszona na sitko drukarskie. Następnie pasta jest nanoszona przez sitko jako cienka warstwa mikroporowata na podłoże z włókna tytanowego za pomocą rakli. © Fraunhofer ISE/Joscha Feuerstein

Obraz z mikroskopii laserowej skanowania pokazuje wyraźne zmniejszenie chropowatości powierzchni. © Fraunhofer ISE / The laser scanning microscopy image shows the significant reduction in surface roughness. © Fraunhofer ISE

Do produkcji zielonego wodoru metodą elektrolizy protonowej wymiany membran (PEM) jedną z najbardziej obiecujących technologii są membrany wymiany protonów (PEM). Aby obniżyć koszty materiałów i produkcji elektrolizerów PEM, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE prowadzi badania nad skalowalnymi metodami produkcji. Po raz pierwszy udało się wyprodukować metodą sitodruku ultradrobne porowate warstwy transportowe z tytanu, co pozwala na obniżenie kosztów materiałów katalitycznych. W tym celu wykorzystano przemysłowe, skalowalne urządzenia. Na targach Hannover Messe (31.03.-04.04., hala 13, C41) instytut oprócz innych innowacji zaprezentuje próbki zoptymalizowanej mikroporowatej warstwy transportowej. 

Elektroliza PEM jest kluczową technologią dla rozwoju rynku zielonego wodoru, ponieważ może być obsługiwana przy dużej gęstości prądu i elastycznym zasilaniu z odnawialnych źródeł energii. Kluczowe dla jej wydajności są oprócz membrany pokrytej katalizatorem także porowate warstwy transportowe (Porous Transport Layers, PTL). »Jako „płuco” membrany pokrytej katalizatorem, PTL odpowiada między innymi za transport wody i gazów. Optymalizacja PTL i ich właściwości powierzchniowych to duży czynnik obniżający koszty i zwiększający wydajność elektrolizerów PEM. Dlatego ta warstwa zyskuje coraz większy nacisk w naszych badaniach«, wyjaśnia kierownik projektu Stefan Bercher z Fraunhofer ISE.

W celu poprawy właściwości powierzchniowych nanoszone są cienkie warstwy tytanowe porowate (microporous layers, MPL) pomiędzy warstwą PTL a membraną pokrytą katalizatorem. Dzięki niskiej chropowatości powierzchni umożliwiają one stosowanie warstw katalitycznych z wyraźnie zredukowanym obciążeniem irydem, ponieważ znacznie poprawiają przyczepność i wykorzystanie katalizatora. Ułatwiają także stosowanie cieńszych membran, co zmniejsza straty ohmiczne. Celem grupy badawczej z Fraunhofer ISE było optymalne dopasowanie tytanowych MPL do kontaktującej się warstwy katalitycznej i wykonanie ich możliwie najdrobniej, ponieważ metale te należą do głównych kosztów w elektrolizerach. »Posiadamy wieloletnie doświadczenie w produkcji i charakteryzacji komponentów do elektrolizy PEM. Wykorzystujemy tę wiedzę w inżynierii interfejsów, aby wspólnie optymalizować obie warstwy, a nie jak dotąd oddzielnie«, wyjaśnia Tom Smolinka, kierownik działu elektrolizy i infrastruktury wodoru z Fraunhofer ISE.

Udany proof-of-concept metodą sitodruku

W celu drukowania ultradrobnych struktur MPL Fraunhofer ISE korzysta z metody sitodruku, którą instytut posiada od lat w dziedzinie fotowoltaiki. Ze względu na możliwość precyzyjnej kontroli grubości i struktury warstw, zespół projektowy widzi duży potencjał tej technologii.

W seriach testów badacze sprawdzili, czy warstwy transportowe pokryte mikroporowatymi warstwami MPL dają lepsze wyniki niż dostępne komercyjnie. Optymalizowano poszczególne etapy produkcji i parametry procesu druku, od mieszania tuszu z cząstkami tytanu, przez sam proces sitodruku na przemysłowych urządzeniach, aż po wyżarzanie. Przy późniejszej charakterystyce naniesionej na dużą PTL warstwy MPL szczególną uwagę zwrócono na chropowatość powierzchni i wydajność. »Udało nam się wydrukować bardzo cienkie warstwy o grubości około 20 µm i zredukować chropowatość powierzchni o 46 procent. To poprawia kontakt z warstwą katalityczną, w której coraz bardziej obniża się obciążenie kosztownym metalem szlachetnym, irydem«, mówi Stefan Bercher. Jest to kluczowe dla osiągnięcia europejskich celów w zakresie oszczędności materiałowych i rozwoju rynku mimo ograniczonych zasobów. Obecnie zespół badawczy poszukuje partnerów przemysłowych do dalszej optymalizacji i dostosowania mikroporowatej warstwy do specyficznych porowatych warstw transportowych.

Inne innowacje Fraunhofer ISE na targach Hannover Messe:

Na stoisku Fraunhofer ISE w ramach wystawy „Hydrogen+ Fuel Cells Europe” można zobaczyć kolejne innowacje:

Oprócz produkcji PTL i MPL, Fraunhofer ISE bada także inne rozwiązania dostosowane do potrzeb klientów w zakresie produkcji membranowych zespołów elektrod (MEA) dla elektrolizerów i ogniw paliwowych, od laboratorium po skalę przemysłową. Naukowcy dysponują szeroką wiedzą na temat rozwoju procesów i tuszy do sitodruku oraz nakładania warstw metodą zgrubnego i precyzyjnego nanoszenia. Na stoisku prezentowane są różne projekty MEA z obniżonym obciążeniem metalami szlachetnymi, wyprodukowane z dostępnych na rynku materiałów.

Model 3D „Infrastruktura wodoru” przedstawia typową, lokalną, zamkniętą infrastrukturę wodoru z regionalną produkcją, dystrybucją i magazynowaniem, a także z punktami połączeń z infrastrukturą krajową i międzynarodową. Ukazuje to szerokie kompetencje Fraunhofer ISE w zakresie całego łańcucha wartości wodoru.

Prelekcje Fraunhofer ISE na targach Hannover Messe

31 marca, godz. 15:00-15:20, Forum Publiczne, hala 13: Prof. Dr. Christopher Hebling: „Od barier do mostów: wyzwania i rozwiązania na globalnym rynku wodoru”

1 kwietnia, godz. 11:00-12:30, Forum Techniczne, hala 13: Prelekcje „Hydrogen at Fraunhofer”

Sesja 1: Produkcja wodoru „Wydajność elektrochemiczna i produkcja”: Stefan Bercher: „Optymalizacja interfejsu między elektrodą a PTL w celu zwiększenia wydajności elektrochemicznej w komórkach elektrolizy wody PEM”