Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die industrielle Dekarbonisierung. Der Durchbruch scheiterte bislang an Effizienz, Kosten und Skalierbarkeit. Ein Team am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelte nun einen neuartigen Hochtemperaturelektrolyse-Stack. Das System setzt weltweit neue Maßstäbe bei der Wasserstoffherstellung.
Die Methode spaltet Wasserdampf in einer Elektrolysezelle in Wasserstoff und Sauerstoff. Durch das hohe Temperaturniveau lässt sich industrielle Abwärme direkt als Spaltungsenergie nutzen. Dies spart teuren Strom und beschleunigt die elektrochemischen Reaktionen. Der Gesamtwirkungsgrad des Prozesses wird dadurch signifikant optimiert. Dafür erhielten die Forschenden den Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2026.
Wissenschaftlicher Ansatz und reversible Systemarchitektur
Das IKTS-Team entwickelte ein duales System, das als Elektrolyseur und als Brennstoffzelle arbeiten kann. Herkömmliche Konzepte trennen diese Betriebswelten meist strikt. Die Kombination stellt jedoch hohe Anforderungen an die Materialwissenschaft.
„Unser Ziel war von Anfang an, eine Brücke zwischen Elektronen und Molekülen zu schaffen“, sagt Dr. Mihails Kusnezoff, Abteilungsleiter am Fraunhofer IKTS. Die technologische Herausforderung bei der Entwicklung war enorm. „Während in der Brennstoffzelle niedrige Widerstände und hohe Spannungen gefragt sind, erfordert die Elektrolyse einen langzeitstabilen, nahezu thermoneutralen Betrieb mit minimalen Temperaturgradienten“, erklärt Dr. Mihails Kusnezoff.
Optimierung von Mikrostrukturen und Stack-Design
Im Labor wurden neue Materialien für Elektrolyt und Elektroden entwickelt. Zudem optimierten die Forschenden gezielt die Mikrostrukturen der Zellen. Erst die serielle Verschaltung einzelner Zellen bildet den leistungsfähigen Stack.
„Erst die Kombination vieler Zellen schafft den sogenannten Stack – das Herzstück des Systems. Er ermöglicht die nötige Skalierung, um Wasserstoff in industriellen Mengen zu erzeugen“, erläutert Dr. Sindy Mosch, Forscherin am Fraunhofer IKTS. Der Durchbruch gelang durch ein tieferes Verständnis der Degradationsprozesse. „Wir mussten lernen, elektrochemische, thermische und mechanische Effekte als Gesamtsystem zu denken. Erst durch das präzise Zusammenspiel von Mikrostruktur, Sinterverhalten und Schutzschichten konnten wir eine Zelle entwickeln, die sowohl im harten Elektrolysebetrieb als auch im Brennstoffzellenmodus über Jahre zuverlässig funktioniert“, so Dr. Sindy Mosch.
Der Stack arbeitet stabil in einem erweiterten Temperaturfenster von 750 °C bis 850 °C. Dies erhöht die thermische Belastbarkeit und die Lebensdauer der Komponenten. In diesem Bereich lassen sich Wasserdampf und CO2 zu Synthesegas elektrolysieren. Im Brennstoffzellenmodus können Erdgas, Biogas, Methanol oder grünes Ammoniak direkt zur Stromerzeugung genutzt werden.
Upscaling und Transfer in die Pilotfertigung
Für die industrielle Skalierung optimierte das Team das Design der metallischen Bipolarplatte. Die Fertigung erfolgt nun effizient in einem einzigen Pressschritt. Zudem wurden skalierbare Beschichtungsverfahren für die Elektroden- und Schutzschichten entwickelt.
„Für uns war klar: Eine Technologie ist erst dann ein Beitrag zur Energiewende, wenn sie in der Fabrik und nicht nur im Labor funktioniert“, betont Dr. Stefan Megel, Gruppenleiter am Fraunhofer IKTS. Gemeinsam mit dem Industriepartner thyssenkrupp nucera entstand in Arnstadt eine teilautomatisierte Pilotfertigungslinie. Der Technologietransfer vom Labormaßstab in die Industrie gelang in nur 14 Monaten. „Die Pilotfertigung zeigt, dass unsere Stacks nicht nur wissenschaftlich führend, sondern auch industriell beherrschbar und wirtschaftlich produzierbar sind – bis hin zur Gigawatt-fähigen Fabrik“, so Dr. Stefan Megel. Das System sichert so die hocheffiziente Nutzung von Strom und Abwärme.
Quelle
Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS (06/2026)