Eine neue Generation von Elektroden soll die Iridium-Effizienz von PEM-Elektrolyseuren signifikant verbessern. Im Fokus der jüngsten Kooperation zwischen dem Edelmetallverarbeiter Heraeus und dem schwedischen Nanotechnologie-Unternehmen Smoltek steht die Weiterentwicklung poröser Transportelektroden (PTE).
Die Elektroden sollen zwei zentrale Funktionen in PEM-Elektrolyseuren zu vereinen: Sie sollen sowohl den Transport der Reaktanten und Produkte gewährleisten (bisher die Aufgabe der porösen Transportschicht) als auch die eigentliche elektrochemische Reaktion katalysieren (bisher die Rolle der katalytisch aktiven Elektrode). Die von Smoltek entwickelte Nanostrukturierung soll dabei sehr niedrige Iridium-Beladungen von nur 0,1 mg/cm² ermöglichen, die mit Heraeus’ Ruthenium-Iridium-Katalysator kombiniert werden.
Allerdings ist noch unklar, wie genau die Nanostrukturierung die Porosität beeinflusst oder wie die Integration der beiden Funktionen im Mikromaßstab realisiert wird und welche Leistung mit der reduzierten Iridium-Beladung erreichbar ist.
Smolteks nanostrukturierte PTE mit geringer Iridium-Beladung (© Heraeus Precious Metals)
Drei komplementäre Technologieansätze
Die Zusammenarbeit ist Teil einer koordinierten Gesamtstrategie zur Optimierung von PEM-Elektrolyseuren. Insgesamt hat Heraeus innerhalb weniger Wochen drei strategische Partnerschaften geschlossen, die unterschiedliche Aspekte der Iridium-Problematik adressieren: Das spanische Start-up Jolt Solutions bringt seine energieeffiziente Sparkfuze-Beschichtungstechnologie ein, die bereits Produktionskapazitäten von 100.000 m² erreicht hat. Das US-Unternehmen Mattiq steuert seine KI-gestützte Materialforschung bei, die bereits über eine Million Katalysatormaterialien analysiert hat. Smoltek komplettiert das Trio mit seiner Nanostruktur-Technologie.
„Die Kombination unserer Nanostruktur-Technologie mit der Expertise bei fortschrittlichen Katalysatorformulierungen wird die Grenzen der Iridium-Effizienz weiter verschieben”, erläuterte Ellinor Ehrnberg, Präsidentin von Smoltek Hydrogen. Philipp Walter, Executive Vice President der Business Line Hydrogen Systems bei Heraeus, betonte hingegen die Bedeutung der industriellen Skalierung: „Diese Partnerschaften ermöglichen es uns, Innovationsgeschwindigkeit mit industrieller Erfahrung zu verbinden.”
Kostendruck treibt Entwicklung
Die Dringlichkeit dieser Entwicklungen unterstreicht eine im Juli 2024 veröffentlichte Studie von Fraunhofer UMSICHT und der Ruhr-Universität Bochum. Demnach dominieren teure Materialien wie Titan und Iridium nach wie vor die Stack-Kosten von PEM-Elektrolyseuren. Während sich bei den Bipolarplatten durch neue Kohlenstoff-Komposite bereits erhebliche Kostensenkungen realisieren lassen, bleibt der hohe Iridium-Bedarf der Elektroden ein zentraler Kostentreiber.
Der Marktdruck ist erheblich. Allein in Deutschland sind Wasserstoffprojekte mit einer Gesamtleistung von 11,5 Gigawatt, viele davon mit PEM-Technologie. Heraeus setzt darauf, dass die Kombination aus Nanostrukturierung, optimierter Beschichtungstechnologie und KI-gestützter Materialentwicklung in diesem Kontext einen wichtigen Fortschritt bei der Kostenreduktion bringen könnte.
Die unverbindliche Vereinbarung mit Smoltek generiert zunächst keine direkten Einnahmen. Das schwedische Unternehmen sieht in der Kooperation jedoch eine wichtige Chance für einen besseren Marktzugang über das internationale Partnernetzwerk von Heraeus.
