Ziel des Projektvorhabens ist es, hochleistungsfähige Membran-Elektroden-Einheiten für die Polymerelektrolytmembran (PEM)-Wasserelektrolyse zu entwickeln. Daran arbeiten zwei Institute und ein Start-Up aus Südafrika und Deutschland gemeinsam.

Entwicklung von Membran-Elektroden-Einheiten © Lerato Maduna | University of Cape Town

Projekte und Ziele

Das Kompetenzzentrum HySA Catalysis, ein Forschungsinstitut für Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie in Südafrika, ist spezialisiert auf die Synthese von Katalysatoren und Fertigung von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA). Im Rahmen des Rainbow Projekts werden  in Kapstadt neue Präparationstechniken entwickelt, um mit modernsten Materialien neue MEAs zu fertigen. Darüber hinaus werden hochleistungsfähige Katalysatoren eingesetzt und die Verwendung von Metalloxid-Trägermaterialien implementiert.

Alle neuen MEAs werden am Institut für Elektrische Energiesysteme (IfES) der Leibniz Universität Hannover (LUH) in Elektrolysezellen charakterisiert, um Leistung und Haltbarkeit der MEAs zu messen.

Nach Abschluss aller Tests in der Elektrolysezelle werden die MEAs am HySA Catalysis auf ihre Struktur untersucht. Hierfür wird die Rasterelektronenmikroskopie mit Röntgen-Spektroskopie herangezogen. Die gesamte Entwicklung wird von einem an der LUH-IfES entwickelten Modell flankiert. Die über das Modell gewonnene Erkenntnisse fließen in die Bewertungen der untersuchten Generationen von MEAs ein.

Strom-Spannungskennlinien zur Charakterisierung von Membran-Elektroden-Einheiten © Boris Bensmann | LUH-IfES

Einsatz der Ergebnisse

Die im Rainbow-Projekt im Fokus stehende Verbesserung der Katalysatoren für die träge und verlustreiche Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) ermöglicht kurzfristig neuartige Ansätze zum Design der Anoden-Katalysatorschicht. Letztlich können Katalysatorschichten entwickelt werden, die weniger teures und begrenzt verfügbares Iridium enthalten und gleichzeitig keine Leistungseinbußen nach sich ziehen.

Die erzielten Ergebnisse werden bereits während der Projektlaufzeit mit der Elektrolyse-Gemeinschaft geteilt. Der offene Austausch trägt dazu bei, dass die wissenschaftlichen und technologischen Neuerungen schneller aufgenommen werden.

Zur erfolgreichen Umsetzung spielen insbesondere die komplementären Expertisen der Projektpartner eine entscheidende Rolle. Als dritter Projektpartner bringt das Start-Up HyPlat aus Südafrika Erfahrung im Bereich großflächige und technische sowie ökonomische Produktion von Brennstoffzellen-Komponenten ein. Bei Erfolg des Vorhabens werden drei Generationen an Membran-Elektroden-Einheiten zur Marktreife (TRL 9) geführt und damit das Produktportfolio von HyPlat um den Bereich PEM-Wasserelektrolyse erweitert. Diese Produkte sind von großem Interesse für PEM-Elektrolysehersteller, denn der Bedarf an Wasserelektrolyseuren steigt,  während der Einsatz von Metallen aus der Platingruppe als Katalysatoren sinken soll.

Mehrwert der internationalen Kooperation

Zur Bewältigung globaler Herausforderungen wie der Klimakrise ist die internationale Zusammenarbeit von fundamentaler Bedeutung. In Südafrika und Deutschland wird Wasserstoff als wichtiger Bestandteil des zukünftigen, klimaneutralen Energiesystems gesehen.

Auf deutscher Seite wurden dazu Ziele, Handlungsfelder und notwendige Schritte in einer nationalen Wasserstoffstrategie im Jahr 2020 dargestellt. Südafrika hatte bereits im Jahr 2008 eine Strategie "National Hydrogen and Fuel Cell Technologies Research, Development and Innovation (NHFCT RDI)" entwickelt. Auf gesellschaftlicher und politischer Ebene trägt diese internationale Zusammenarbeit also dazu bei, die ehrgeizigen Ziele des Pariser Abkommens aus dem Jahr 2015 (COP 21) zu verwirklichen.

Darüber hinaus werden die Projektpartner HySA Catalysis und HyPlat mit dem Prinzip der Auftragsforschung vertraut gemacht. Darauf aufbauend ist eine langfristige Forschungs- und Innovationspartnerschaft geplant mit dem Ziel eine H₂-Technologie-Achse zwischen Deutschland/ EU und Südafrika/ AU zu etablieren.

Ansprechpartner für RAINBOW: