PEM-Elektrolyseure: Fortschritte in der grünen Wasserstofferzeugung durch Materialinnovation

Angesichts zunehmender Verbraucher- und Regulierungsanforderungen suchen Industrieunternehmen weltweit nach Wegen, ihre CO₂-Emissionen zu senken und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Zwar trägt der Einsatz erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie dazu bei, doch Elektrifizierung allein reicht nicht aus, um schwer zu dekarbonisierende Sektoren zu kompensieren, darunter:

• Stahlproduktion
• Chemie
• Raffination
• Schwerlastverkehr und Schifffahrt
• Energiespeicherung mit langer Dauer

Diese Branchen benötigen zudem einen sauberen Brennstoff – doch der Großteil des heute erzeugten Wasserstoffs stammt weiterhin aus fossilen Quellen.

Hier hat sich grüner Wasserstoff, der durch die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse erzeugt wird, als einer der vielversprechendsten Wege in eine kohlenstoffärmere Zukunft etabliert. Die weltweite Kapazität für grüne Wasserstoff-Elektrolyseure verdoppelte sich 2025 auf mehr als 4 Gigawatt, so der Global Hydrogen Review der Internationalen Energieagentur; weitere Anlagen befinden sich für 2026 im Bau.

Die Protonenaustauschmembran-(PEM-)Elektrolyse hat sich zu einer führenden Technologie entwickelt, die diesen Hochlauf unterstützt. Die Schließung der Lücke zwischen heutigen PEM-Elektrolyseuren und den langfristig erforderlichen Kosten-, Haltbarkeits- und Leistungsanforderungen der Industrie beginnt mit einem detaillierten Verständnis der Materialien in jedem Stack.

Was ist ein PEM-Elektrolyseur?

Die PEM-Elektrolyse ist ein Verfahren, bei dem Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff- und Sauerstoffgas gespalten wird. PEM-Elektrolysezellen enthalten ein integriertes System kritischer Komponenten, von denen jede eine eigene Aufgabe dabei erfüllt, Strom und Wasser hineinzubringen und Wasserstoff und Sauerstoff herauszuführen. Diese Komponenten sind:

• Protonenaustauschmembran: Lässt Protonen von der Anode zur Kathode passieren und verhindert zugleich, dass sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas vermischen
• Anodenkatalysatorschicht: Trägt die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), bei der Wasser in Sauerstoffgas, Protonen und Elektronen gespalten wird – typischerweise unter Verwendung von iridiumbasierten Katalysatoren
• Kathodenkatalysatorschicht: Trägt die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER), bei der Protonen und Elektronen wieder zu Wasserstoffgas rekombinieren, meist unter Verwendung von platinbasierten Katalysatoren
• Poröse Transportschichten: Führen Wasser in die Katalysatorschichten und lassen Wasserstoff- und Sauerstoffgas wieder austreten
• Bipolarplatten: Verteilen elektrischen Strom und Fluidstrom gleichmäßig über jede Zelle und trennen in einem Stack eine Zelle von der nächsten

Wie funktioniert PEM-Elektrolyse?

In der Zelle befindet sich die Protonenaustauschmembran zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Elektroden, und die Elektrolysereaktion läuft auf beiden Seiten ab:

• An der Anode (positiv geladen): Wasser wird zugeführt, und eine angelegte Spannung spaltet die H₂O-Wassermoleküle in Sauerstoffgas, Elektronen und Wasserstoffionen (H⁺ oder Protonen).
• An der Kathode (negativ geladen): Protonen, die die Membran passiert haben, rekombinieren mit Elektronen, die über einen externen Stromkreis ankommen, zu Wasserstoffgas.

Die Protonenaustauschmembran ist für diesen Prozess von grundlegender Bedeutung. Als fester, protonenleitender Werkstoff lässt sie Protonen passieren und wirkt gleichzeitig als physische Barriere, die verhindert, dass sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas vermischen.

Diese Kombination von Funktionen ermöglicht es PEM-Elektrolysezellen, bei hoher Stromdichte auf kompakter Fläche zu arbeiten und dennoch hochreinen Wasserstoff zu erzeugen. Da jede Zelle bei niedriger Spannung nur eine kleine Menge Wasserstoff produziert, verbinden Hersteller für industrielle Ausstoßmengen Dutzende oder Hunderte dieser Zellen elektrisch in Serie zu einem sogenannten „Stack“.

Warum die Materialcharakterisierung für PEM-Elektrolyseure entscheidend ist

Die Beschleunigung von Innovationen in der PEM-Elektrolyse beruht auf einer schnellen und präzisen Materialcharakterisierung. Forschende benötigen genaue Einblicke in eine breite Palette von Materialeigenschaften, darunter:

• Kristallstruktur
• Zusammensetzung
• Oxidationszustand
• Partikelgröße
• Dispersionsstabilität
• Strukturelle Entwicklung während des Betriebs

Charakterisierungsdaten verknüpfen diese Eigenschaften direkt mit der Leistung und helfen Forschenden, Materialien schneller zu optimieren und entwicklungsbezogene Entscheidungen auf Grundlage belastbarer Daten zu treffen. Dies steht für einen breiteren Wandel im Feld: weg von langsamer Versuch-und-Irrtum-Entwicklung hin zu datengetriebener Werkstoffentwicklung.

Entscheidend ist, dass fortschrittliche Charakterisierung Forschenden hilft zu verstehen, warum Materialien sich so verhalten, wie sie es tun, und liefert wesentliche Informationen dazu, wie sie verbessert werden können.

Charakterisierung von PEM-Elektrolyse-Katalysatoren

Die Entwicklung von Elektrodenkatalysatoren bleibt eines der aktivsten Forschungsfelder der PEM-Elektrolyse, und das aus gutem Grund: Katalysatoren sind sowohl der technische Engpass als auch der größte Kostentreiber im Stack. Ein Großteil der aktuellen Forschung konzentriert sich auf:

• die Reduzierung der an der Anode eingesetzten Iridiummenge
• die Erhöhung der katalytischen Aktivität
• die Verbesserung der Haltbarkeit
• die Senkung der Gesamtkosten des Stacks

Das Erreichen dieser Ziele erfordert ein detailliertes Verständnis der Katalysatorstruktur über den gesamten Lebenszyklus hinweg – von frisch synthetisiert über den aktiven Betrieb bis nach dem Betrieb oder nach Zyklisierung. Insbesondere Degradationsstudien können genau aufzeigen, wie und warum die Katalysatorleistung im Laufe der Zeit abnimmt, und weisen Forschende auf die spezifischen strukturellen oder kompositorischen Veränderungen hin, die nötig sind, um langlebigere Elektrolyseure zu entwickeln.

Diese Verbindung zwischen Katalysatorchemie, Struktur und realer Haltbarkeit ist es, die Materialcharakterisierung direkt mit den Kostensenkungs- und Skalierungszielen der Industrie verknüpft.

Analytische Techniken zur Unterstützung der Entwicklung von PEM-Elektrolyseuren

Keine einzelne Analysetechnik kann Forschenden alles liefern, was sie über ihre PEM-Elektrolyse-Materialien wissen müssen. Um ein vollständiges Bild davon zu erhalten, wie ein Material funktioniert – und warum –, braucht es eine Reihe komplementärer Techniken, von denen jede auf einen anderen Teil des Gesamtbilds ausgerichtet ist.

Röntgendiffraktometrie (XRD)

XRD identifiziert und quantifiziert die in einem Katalysatormaterial vorhandenen kristallinen Phasen und zeigt wichtige strukturelle Parameter wie Kristallitgröße, Gitterverspannung und Gitterparameter aus Position, Breite und Intensität der Beugungspeaks auf.

In der PEM-Elektrolyse-Katalysatorforschung eignet sich XRD hervorragend, um strukturelle Veränderungen während der Entwicklung und über die gesamte Betriebsdauer hinweg zu überwachen sowie die Kristallphase neuer platin- oder iridiumbasierter Legierungen zu bestätigen.

Da sich XRD-Daten schnell und reproduzierbar erfassen lassen, ist es ebenso nützlich für Degradationsstudien, bei denen dieselbe Probe vor und nach der Zyklisierung gemessen wird, wie auch für die alltägliche Werkstoffoptimierung.

Unsere kompakten Aeris Tisch-Röntgendiffraktometer übernehmen routinemäßige Messungen von Kristallitgröße und Phasen, während unsere modularen Empyrean-Plattformen zusätzlich Röntgenstreuung und In-situ-Funktionalität bieten, um strukturelle Veränderungen zu verfolgen, während Katalysatoren erhitzt, zyklisiert oder unter realistischen Betriebsbedingungen untersucht werden.

Röntgenfluoreszenz (XRF)

Während XRD die Struktur aufzeigt, analysiert die Röntgenfluoreszenz die elementare Zusammensetzung. XRF verifiziert die Katalysatorzusammensetzung und Edelmetallbeladungen: etwa indem bestätigt wird, dass eine Iridium- oder Platinbeladung der Spezifikation entspricht, oder indem das Verhältnis der Metalle in einem Pt-Legierungskatalysator überprüft wird.

Damit eignet sie sich hervorragend sowohl für die Materialqualitätskontrolle als auch für die Produktionskonstanz, sobald eine Katalysatorformulierung in Richtung Fertigung geht. Da die Kosten eines Katalysators eng an den Edelmetallgehalt gekoppelt sind, ermöglicht eine präzise Elementanalyse Teams zu bestätigen, dass die für ein neues Material vorgesehenen Beladungs- und Zusammensetzungsziele tatsächlich erreicht werden.

Unsere XRF-Lösungen für die Katalyse umfassen das standbasierte Zetium-Spektrometer, das die analytische Leistung für hochpräzise Zusammensetzungs- und Beladungsprüfungen bietet.

Das Tischgerät Epsilon 1 ermöglicht standardfreie, schnelle Elementanalytik für die routinemäßige Katalysatorprüfung, während das Epsilon 4 mit höherem Durchsatz für die Qualitätskontrolle in der Produktion geeignet ist, wenn die Probenmengen deutlich größer sind.

XANES und EXAFS

XRD und XRF zeigen Kristallstruktur und elementare Zusammensetzung, aber keines der beiden Verfahren zeigt, was auf elektronischer Ebene in einzelnen Atomen geschieht.

Hier kommt die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) ins Spiel. Ein XAS-Spektrum besteht aus zwei Bereichen:

1. XANES: X-ray absorption near-edge structure
2. EXAFS: Extended X-ray absorption fine structure

Jeder dieser Bereiche liefert unterschiedliche Informationen über das untersuchte Atom. XANES reagiert besonders empfindlich auf den Oxidationszustand und die Koordinationsgeometrie, während EXAFS die Abstände und Koordinationszahlen benachbarter Atome offenlegt. Zusammen liefern diese Messungen Einblicke in Oxidationszustände und die lokale atomare Umgebung eines bestimmten Elements – selbst in komplexen, mehrphasigen oder amorphen Materialien, bei denen Beugung allein an ihre Grenzen stößt.

Für PEM-Elektrolyseure ist dies besonders wertvoll für die Untersuchung iridiumbasierter Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung, bei denen subtile Veränderungen des Oxidationszustands und der Koordinationsumgebung von Iridium während des Betriebs eng mit sowohl katalytischer Aktivität als auch langfristiger Degradation verknüpft sind. Das Verständnis dieser atomaren Details ermöglicht es Forschenden, Katalysatoren der nächsten Generation mit tatsächlich verbesserter Aktivität und Stabilität zu entwickeln, anstatt nur die Massenkomposition zu variieren.

Empyrean XAS liefert laborbasierte XANES- und EXAFS-Daten auf derselben modularen Empyrean-Plattform, die für XRD und Streuung verwendet wird, sodass Forschende an PEM-Elektrolyseuren lokale atomare Umgebungen untersuchen können, ohne um knappe Synchrotron-Strahlzeit konkurrieren zu müssen.

Partikelcharakterisierung

Partikelgröße und Dispersion des Katalysators haben direkten Einfluss darauf, wie gut eine Katalysatorschicht funktioniert. Kleinere, gut dispergierte Partikel bieten pro Gramm Edelmetall mehr aktive Oberfläche, während schlecht dispergierte oder agglomerierte Partikel katalytisches Potenzial und Kosten verschwenden.

Partikelcharakterisierungsdaten fließen direkt in die Formulierung und Optimierung der Katalysatortinte ein, mit typischen Anwendungen wie:

• Nanopartikelgrößenbestimmung
• Agglomerationsbewertung
• Studien zur Dispersionsstabilität

Die Zetasizer Advance-Reihe misst Nanopartikelgröße und Zeta-Potenzial, um die Stabilität und Dispersion von Katalysatortinten zu bewerten. Zusätzlich charakterisieren unsere Mastersizer 3000+-Systeme zur Laserbeugung die breiteren Partikel- und Agglomeratgrößenverteilungen, die für Katalysatorpulver und Trägermaterialien relevant sind.

Die Nanopartikel-Tracking-Analyse auf dem NanoSight Pro und die automatisierte statische Bildanalyse in der Morphologi-Reihe liefern ebenfalls eine ergänzende, partikelweise Sicht – sie zählen und messen einzelne Nanopartikel und bewerten die Form von Agglomeraten –, was hilft zu bestätigen, was die oben genannten Massenmessungen zeigen.

Technik	Was sie zeigt
Röntgendiffraktometrie (XRD)	Kristallphase, Kristallitgröße, Gitterverspannung
Röntgenfluoreszenz (XRF)	Elementzusammensetzung, Edelmetallbeladung
XANES / EXAFS	Oxidationszustand, lokale atomare Umgebung
Partikelcharakterisierung	Partikelgröße, Dispersionsstabilität, Zeta-Potenzial

Zukünftige Trends in der PEM-Elektrolyse-Forschung

Die Forschung an PEM-Elektrolyseuren schreitet stetig voran, und die Zukunft dieses Feldes hängt von Innovationen in einer Kombination aus Materialien, Fertigung und Systemdesign ab. Mehrere zusammenlaufende Trends prägen die weitere Entwicklung der Technologie, wobei Entwickler Folgendes erreichen wollen:

• Geringerer Einsatz von Edelmetallen: Ein Großteil der Forschungsarbeit zielt darauf ab, die Iridiumbeladung an der Anode zu senken, ohne die Leistung zu beeinträchtigen, sowie alternative Katalysatorchemien und eine effizientere Nutzung des weiterhin benötigten Edelmetalls zu finden.
• Verbesserte Haltbarkeit: Während die Industrie versucht, die Betriebslebensdauer zu verlängern, wird das Verständnis von Degradationsmechanismen im gesamten Stack ebenso wichtig wie die reine Leistung.
• Höherleistungsfähige Systeme: Laufende Arbeiten zielen auf höhere Stromdichten, bessere Effizienz und erhöhte Wasserstoffausbeute ab, und das alles bei gleichzeitiger Senkung der Betriebskosten.
• Gigawatt-Fertigung: Die Fertigung von Elektrolyseuren skaliert schnell, um die steigende Wasserstoffnachfrage zu bedienen, was robuste Qualitätskontrolle und gleichbleibende Materialeigenschaften über enorme Produktionsvolumina hinweg zu einer eigenständigen, wachsenden ingenieurtechnischen Herausforderung macht.
• Integration erneuerbarer Energien: PEM-Elektrolyseure übernehmen eine wachsende Rolle in Ökosystemen erneuerbarer Energien und können mit zunehmendem Ausbau variabler Wind- und Solarkapazitäten zur Netzstabilisierung, Energiespeicherung und Sektorkopplung beitragen.

PEM-Elektrolyseure durch intelligentere Materialcharakterisierung voranbringen

PEM-Elektrolyseure werden in den kommenden zehn Jahren voraussichtlich eine wichtige Rolle beim Hochlauf der Produktion von grünem Wasserstoff spielen, doch das hängt von der Leistungsfähigkeit der Materialien ab, aus denen sie bestehen. Katalysatoren, Membranen und jede andere kritische Komponente bestimmen die Effizienz, Haltbarkeit und Kosten eines Stacks, und ihre Verbesserung beginnt mit detaillierten Materialeinblicken.

Fortschrittliche Charakterisierungsmethoden, von XRD und XRF bis hin zu XAS und Partikelanalyse, liefern Forschenden die entscheidenden Erkenntnisse: Sie ermöglichen es Teams, Degradation zu verstehen, neue Materialien schneller zu validieren und das Entwicklungsrisiko auf dem Weg zur nächsten Generation der PEM-Elektrolyse zu senken.

Erfahren Sie mehr darüber, wie die Materialcharakterisierungslösungen von Malvern Panalytical Forschende dabei unterstützen, Materialien für PEM-Elektrolyseure zu untersuchen, Degradationsmechanismen zu verstehen und die Entwicklung effizienterer und langlebigerer Wasserstoffproduktionstechnologien zu beschleunigen. Sprechen Sie mit Malvern-Panalytical-Spezialisten über analytische Lösungen, die Vertrauen in die Wasserstoffproduktion schaffen.