För att minska material- och tillverkningskostnaderna för protonutbytesmembran-elektrolysatorer (PEM-elektrolysatorer) forskar Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) på skalbara produktionsprocesser. Nu har institutet för första gången lyckats producera ultrafina porösa transportlager av titan genom screentryck, vilket bidrar till att sänka kostnaden för katalysatormaterial.
Produktionstekniken använder branschstandardiserad och skalbar utrustning. Vid Hannover-mässan (31 mars–4 april, Hall 13, C41) kommer institutet att visa upp prover av det optimerade mikroporösa transportlagret tillsammans med andra innovationer.
Optimerad yta för bättre prestanda
Efter screentrycksprocessen appliceras det mikroporösa lagret på ett titanfibersubstrat och genomgår en sintringsprocess. Det slutliga lagret har en reducerad ytjämnhet, vilket skapar en optimerad kontakt med katalysatorskiktet. Detta gör det möjligt att minska iridiumbelastningen och använda tunnare membran.
PEM-elektrolys är en nyckelteknologi för att få igång marknaden för grön vätgas, eftersom den kan drivas med hög effektdensitet och flexibel energitillförsel från förnybara källor. De porösa transportlagren (PTL) spelar en central roll i denna process.
– PTL fungerar som ”lungorna” i den katalytiskt belagda membranen och ansvarar för att transportera vatten och gaser. Genom att optimera transportlagret och dess ytegenskaper kan vi sänka kostnaderna och förbättra prestandan i PEM-elektrolys, säger Stefan Bercher, projektledare vid Fraunhofer ISE.
Projektets mål var att optimera titanskikten så att de matchar katalysatorskiktet på bästa sätt och samtidigt göra dem så tunna som möjligt, eftersom dessa metaller är en av de största kostnadsfaktorerna i elektrolysatorer.
– Vi har lång erfarenhet av att tillverka och analysera komponenter för PEM-elektrolys. Genom vårt arbete med gränssnittsdesign optimerar vi båda lagren tillsammans, istället för att behandla dem separat, säger Tom Smolinka, chef för avdelningen för elektrolys och vätgasinfrastruktur vid Fraunhofer ISE.
Screentryck visar lovande resultat
För att framställa de ultrafina MPL-strukturerna använder Fraunhofer ISE screentryck, en teknik institutet har stor erfarenhet av inom solcellsproduktion. Eftersom screentryck ger exakt kontroll över lagrens tjocklek och struktur ser forskarna stor potential i teknologin.
Genom tester undersöktes om PTL med mikroporösa transportlager ger bättre resultat än kommersiellt tillgängliga PTL. Varje produktionssteg, från blandning av tryckfärg med titanpartiklar till själva screentrycket och sintringen, optimerades. Därefter analyserades den tryckta MPL-ytans jämnhet och prestanda.
– Vi lyckades trycka mycket tunna lager, ungefär 20 mikrometer, och minska ytjämnheten med 46 procent. Detta förbättrar kontakten mellan katalysatorskiktet och minskar behovet av det dyra ädelmetallen iridium, säger Stefan Bercher.
Denna utveckling kan bidra till att uppfylla Europas mål för materialbesparingar och marknadsintroduktion av vätgasteknologi, trots begränsade resurser. Nu söker forskargruppen industripartners för att ytterligare optimera och anpassa det mikroporösa lagret för specifika transportlager.
Fler innovationer från Fraunhofer ISE på Hannover-mässan
Vid Fraunhofer ISE:s monter på utställningen ”Hydrogen+ Fuel Cells Europe” kommer fler innovationer att presenteras.
Förutom produktion av PTL och MPL undersöker Fraunhofer ISE fler kundanpassade processer för framställning av membranelektrodmonteringar (MEA) för elektrolysatorer och bränsleceller, från laboratorie- till industriskala. Forskarna har bred expertis inom processutveckling och trycktekniker som screentryck och slot-die-beläggning. På plats kommer de att visa olika MEA-design med reducerad ädelmetallhalt, tillverkade med kommersiellt tillgängliga material.
En 3D-modell av ”Vätgasinfrastruktur” kommer att illustrera en lokal, självförsörjande vätgaskedja, från regional produktion och distribution till lagring och kopplingar till nationella och internationella nätverk. Denna modell representerar Fraunhofer ISE:s omfattande expertis inom hela vätgasens värdekedja.
Källa: Fraunhofer ISE