Im Zuge der Energiewende ist grüner Wasserstoff als stofflicher Energieträger unverzichtbar für die Netzstabilisierung und industrielle Anwendungen. Die Protonen-Austausch-Membran-Wasser-Elektrolyse (PEMWE) bietet durch ihre hohe Betriebsdynamik, schnelle An- und Abfahrzeiten sowie kompakte Bauweise ideale Voraussetzungen, um Stromspitzen aus volatilen erneuerbaren Energien abzufangen. Zwei kritische Skalierungshemmnisse verhindern jedoch die Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und großskalige Umsetzung dieser Schlüsseltechnologie: der notwendige Einsatz seltener Edelmetalle (PGM) sowie umweltschädlicher Perfluorsulfonsäure-(PFSA)-Membranen.
Das zentrale Ziel dieses Promotionsvorhabens ist die Entwicklung technologischer Grundlagen für die industrierelevante Produktion von PEM-Elektrolyseuren mit ultra-niedrigen Iridium (Ir)-Beladungen im Sinne des Clean Hydrogen Partnerships der Europäischen Union (EU) und dem Einsatz leistungsfähiger, PFAS-freier Membranen und Ionomere. Aktuelle Elektrolyseure benötigen bis zu 2 mg_Ir/cm², wobei eine Reduktion auf 0,125 mg_PGM/cm² angestrebt wird. Um bei konventionellen Ir-Beladungen die Kapazitätsziele der EU Hydrogen Strategy für 2030 zu erreichen, würde die doppelte Menge der jährlichen globalen Ir-Produktion benötigt werden, was ein erhebliches Skalierungshemmnis darstellt, und nur durch innovative Zelldesigns mit 10- bis 20-facher Edelmetallreduktion bei gleichbleibender Lebensdauer erreicht werden kann.
Die Umweltrelevanz des Vorhabens ergibt sich aus der dringenden Notwendigkeit, PFAS-haltige Materialien zu ersetzen. Diese „Ewigkeitschemikalien“ reichern sich durch ihre extrem stabile Kohlenstoff-Fluor-Bindung in der Umwelt an, ihre Abbauprodukte stehen unter Verdacht krebserregend zu sein und Entwicklungsschäden zu verursachen. Die EU hat entsprechend umfassende Verwendungsverbote ab 2025 bis 2030 angekündigt. Fluorfreie Kohlenwasserstoffpolymere wie sulfonierte Polyetheretherketon, Polyarylenethersulfon oder Polyphenylensulfid bieten nicht nur eine ökologische Alternative mit bis zu 50 Prozent geringeren CO₂-Emissionen, sondern auch eine kostengünstigere Produktion ohne aufwendige Fluorchemie. Die zentrale Herausforderung liegt in der noch unzureichenden Betriebszeit von 500 bis 2000 Stunden im Vergleich zu über 6000 Stunden bei konventionellen PFSA-Systemen.
Die praktische Bedeutung liegt in der Überwindung der Lücke zwischen akademischer Forschung und industrieller Anwendung. Ohne die Etablierung großvolumiger Fertigungsprozesse mit optimierten Materialien wird sich die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der PEM-Elektrolyse nicht erreichen lassen, wodurch Deutschland und Europa ihre wettbewerbsfähige Position bei dieser Schlüsseltechnologie verlieren würden. Das Vorhaben adressiert systematisch alle drei kritischen Dimensionen: Materialwissenschaft, Elektrochemie und Verfahrenstechnik.
Das geplante Vorgehen umfasst ein kumulatives Promotionsvorhaben mit drei Veröffentlichungen. Die erste Publikation werden Fertigungsverfahren für Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) auf Basis von PFSA-freien kommerziell erhältlichen Materialien entwickelt, wie der Direktdruck auf Membran, das Decal-Transfer-Verfahren sowie Transportelektroden im halbautomatischen Betrieb verglichen. Die zweite Veröffentlichung widmet sich der Entwicklung von Katalysatorschichten mit ultra-niedrigen Katalysator Beladungen durch innovative Ansätze wie die Integration elektrisch leitfähiger Additive als Grundgerüst, geträgerter Katalysatoren auf stabilen Oxidmaterialien sowie optimierter Grenzflächen zwischen poröser Transportschicht und Katalysatorschicht. Die finale Publikation evaluiert die Langzeitstabilität der vielversprechendsten Konzepte im Dauerbetrieb und mittels beschleunigter Alterungstests (AST).
Die zur Anwendung kommenden Methoden kombinieren industrienahe Fertigung mit wissenschaftlicher Charakterisierung. Die ex situ Analyse umfasst Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenfluoreszenz und optische Verfahren zur Strukturcharakterisierung. Die in situ Charakterisierung erfolgt in Einzelzell-Testständen mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie, Polarisationskurven und ASTs zur Quantifizierung der Verlustmechanismen und des Degradationsverhaltens. Das Alleinstellungsmerkmal liegt im direkten Zugang zu industrierelevanten Produktionsanlagen, wodurch eine unmittelbare Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse in die industrielle Praxis gewährleistet wird.