Röntgenmikroskopaufnahmer einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA)

grELjet – Gradierte Katalysatorschichten für PEM-Elektrolyseure

Im Projekt grELjet entwickelt das ZBT gemeinsam mit Fraunhofer ENAS ortsaufgelöst optimierte Katalysatorschichten, die den Iridiumbedarf von PEM-Elektrolyseuren senken und ihre Effizienz steigern sollen.

Iridium ist ein besonders knapper und kostenintensiver Rohstoff für die Anoden von Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseuren. grELjet untersucht, wie sich das Edelmetall mithilfe des Inkjetdrucks gezielt dort einsetzen lässt, wo es innerhalb der Elektrode den größten Nutzen erzielt.

Stabile Katalysatortinten für den Inkjetdruck

Grundlage des Verfahrens sind stabile und druckfähige Tintensysteme aus Iridium als Aktivmaterial, einem Ionomer und verschiedenen Lösungsmitteln. Untersucht werden ternäre Systeme aus Wasser, einem hochsiedenden Lösungsmittel wie DMSO oder 1,2-Ethylenglykol sowie N-Propanol.

Das ENAS charakterisiert unter anderem die Stabilität, Viskosität und weitere für den Inkjetdruck relevante Eigenschaften der Tinten.

Ausgewählte Tinten wurden bereits von 10 auf 40 Milliliter skaliert. Fraunhofer ENAS fertigte daraus per Inkjetdruck PEM-Elektrolyse-Anoden mit variabler Katalysatorbelegung durch direkte Beschichtung der Membran.

ZBTriangle: Browser-Tool für ternäre Lösungsmittelsysteme

Mit ZBTriangle hat das ZBT ein interaktives Browser-Tool zur Planung, Visualisierung und Dokumentation ternärer Lösungsmittelsysteme entwickelt. Zusammensetzungen aus drei Komponenten lassen sich direkt im Dreiecksdiagramm festlegen, mit Mindest- und Höchstwerten begrenzen und für Screening-Reihen speichern.

Das Tool unterstützt insbesondere die Entwicklung von Katalysator-, Ionomer- und Bindertinten sowie die Untersuchung von Lösungsmittelmischungen hinsichtlich Dispergierung, Benetzung und Beschichtbarkeit. Experimentelle Eigenschaften wie Stabilität oder Viskosität können den Zusammensetzungen zugeordnet und als Heatmap oder farblich markierte Datenpunkte dargestellt werden.

ZBTriangle benötigt keine Installation, läuft direkt im Browser und steht öffentlich zur Verfügung. Daten und Diagramme lassen sich für die weitere Auswertung exportieren und erneut importieren.

zum Triangle-Tool auf github

Iridium gezielt und ortsaufgelöst einsetzen

Am ZBT werden die direkt beschichteten Katalysatormembranen zu Membran-Elektroden-Einheiten assembliert und elektrochemisch charakterisiert. Die ersten Ergebnisse liegen in der Größenordnung vergleichbarer Werte aus der Fachliteratur und zeigen das Potenzial des Inkjetdrucks für die Herstellung direkt beschichteter Membranen.

Im nächsten Schritt entwickelt das Projekt ortsaufgelöste Gradientenkonzepte innerhalb der Katalysatorschicht. Mithilfe von Simulationen werden Bereiche identifiziert, in denen unterschiedliche Katalysatorbelegungen oder Schichteigenschaften besonders vorteilhaft sind. So soll Iridium gezielter eingesetzt werden, ohne die Leistungsfähigkeit des Elektrolyseurs zu beeinträchtigen. Langfristig kann der Ansatz dazu beitragen, die Materialkosten zu senken und die Effizienz der PEM-Wasserelektrolyse zu erhöhen.

Projektinfos

  • Projektakronym: grELjet

  • Projekttitel:Effizienzsteigerung und Kostensenkung durch gradierte Katalysatorschichten für Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyseure mittels Inkjetdruck für einen ortsaufgelöst funktionsoptimierten Edelmetalleinsatz

  • Laufzeit: 01.12.2025 bis 31.05.2028

  • Förderprogramm: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)
  • Förderkennzeichen: 01IF24611N

  • Fördersumme gesamt: 523.426 €

  • Projektpartner:

    • Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS

    • ZBT – Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH

Ansprechperson

Wladimir Philippi
Elektrochemische Komponenten
+49 203 7598-3129
Porträt von Wladimir Philippi