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Hoher Druck gehört heute so selbstverständlich zu Wasserstoffanwendungen wie seine geringe volumetrische Energiedichte. Um gängige Drücke zu erreichen, oft 200 bis 1.000 bar, kommen mechanische Verdichter zum Einsatz, zum Beispiel Membrankolbenverdichter. Der Nachteil: Sie sind nicht nur wartungsaufwändig, sondern auch geräuschintensiv. Letzteres macht sie für den Einsatz in Wohngebieten unattraktiv – vor allem in ikleinen Energiesystemen für Einfamilienhäuser.
Hier setzt das Projekt ELCHPEM 2.0 (Elektrochemische Zellen auf Basis der neuartigen hydraulischen Verpressung von Einzelzellen zur Verdichtung von Wasserstoff) an, welches von der Firma Obitronik koordiniert wird und an dem das Fraunhofer-Institut Umsicht, die Firma ProPuls sowie die Westfälische Hochschule Gelsenkirchen als Projektpartner beteiligt sind. „Unser Ziel ist es, einen im Vorgängerprojekt ELCHPEM 1.0 geschaffenen Reaktor für die elektrochemische Verdichtung von Wasserstoff auf Basis der hydraulischen Verpressung weiterzuentwickeln und zu testen und so mit unserem Produkt zur dezentralen Energiespeicherung eine Alternative zur Nutzung von mechanischen Verdichtern anzubieten“, erläutert Professor Ulrich Rost, Lehrstuhlinhaber für Wasserstofftechnologie und Energiespeicher an der Hochschule Rhein-Main und Mitarbeiter von ProPuls. Ziel sei es zunächst, 90 g Wasserstoff pro Stunde zu verdichten. Das entspricht bei Raumbedingungen 1m3 Wasserstoff, ausreichend für ein Haussystem.
Verdichter auch zur H2-Abtrennung
Die elektrochemische Verdichtung steht im Vergleich zur mechanischen noch am Anfang. Doch sie birgt erhebliche Vorteile: „Die mechanische Verdichtung ist mit einer Reibung bewegter Teile verbunden, welche gewartet werden müssen“, sagt Professor Rost. So käme es bei Wasserstoffanlagen zu regelmäßigen Stillständen, weil die Verdichter kontrolliert werden müssen. Ein verschleißarmes System könne dieses Problem beseitigen. Zudem ließe sich eine Verunreinigung des Wasserstoffs durch Schmierstoffe, wie sie bei mechanischen Verdichtern eingesetzt werden, vermeiden. Mehr noch: Bei der elektrochemischen Verdichtung werde ausschließlich Wasserstoff verdichtet, denn eine Membran im Verdichter verhindere, dass weitere Gase in den Verdichtungsprozess mit einbezogen werden. So könnte der elektrochemische Verdichter auch für die Abtrennung von Wasserstoff aus Gasgemischen eingesetzt werden. Außerdem ist die Geräuschentwicklung bei einem elektrochemischen Verdichter wesentlich geringer als bei einem mechanischen.
Aufbau ähnelt PEM-Brennstoffzelle
Der in diesem Projekt eingesetzte elektrochemische Verdichter ähnelt im Aufbau einer PEM-Brennstoffzelle. Er besteht aus zwei Elektroden (Anode auf der Niederdruckseite, Kathode auf der Hochdruckseite) und einer dazwischen angeordneten protonenleitenden Membran (PEM). Die Membran ist gasdicht und elektrisch isolierend sowie beidseitig mit einem Katalysator (CCM – englisch catalyst coated membrane) beschichtet. Mithilfe eines elektrischen Feldes wird ein Stoffstrom durch die katalysatorbeschichtete Membran erzeugt. Wasserstoff wird anodenseitig auf der CCM katalytisch gespalten. Aufgrund des elektrischen Feldes strömen die Protonen durch die Membran zur Kathode, werden dort zu Wasserstoff reduziert und verlassen den elektrochemischen Verdichter auf einem höheren Druckniveau. Derzeit erreicht der Verdichter Wirkungsgrade von gut 50%, setzt also etwas mehr als die Hälfte der eingesetzten Energie in Verdichtungsarbeit um. Zum Vergleich: Mechanische Membrankolbenverdichter kommen auf etwa 50 bis 70 %.
Industrieller Prototyp als Ziel
Im Vorgängerprojekt ELCHPEM 1.0 gelang es den Forschenden, auf Basis eines hydraulisch verpressten Zellkonzeptes eine elektrochemische Wasserstoffverdichtung von 0 auf 60 bar zu erzielen. ProPuls konzipierte in diesem Projekt auch einen Reaktor mit einer einzelnen Zelle.
Das im April 2025 gestartete Projekt ELCHPEM 2.0 soll den Reaktor nun skalieren. ProPuls verantwortet dabei Reaktordesigns, die Westfälische Hochschule Gelsenkirchen den Prozess und das System, in das der Reaktor eingebaut wird, sowie den experimentellen Aufbau und Betrieb. Obitronik ist für Leistungselektronik und das Anlagenmanagement zuständig.
Ziel ist, einen industrienahen Prototypen zu entwickeln und zu testen. Vorgesehen ist ein mehrstufiges Verdichtersystem, wobei die einzelnen Stufen über eine intelligente Leistungselektronik von Obitronik aufeinander abgestimmt dynamisch betrieben werden sollen.
Die Zielmarken für den Projektabschluss im April 2028: eine Druckdifferenz von 100 bar pro Stufe, ein vollmodulares Funktionsmuster mit Ausgangsdrücken von bis zu 300 bar und fast beliebig große Zellen (über 1.000 cm2).
Herausforderung Polplatten
Ein Problem sind dabei die schweren und teuren Polplatten, die als Verschleißschutz dienen. Eine Polplatte auf Basis eines Polymer-Graphit-Komposits soll daher Kosten, Gewicht und Volumen reduzieren und im Projekt vom Fraunhofer-Institut Umsicht entwickelt werden.
Auch die hohen Druckdifferenzen sind eine konstruktive Herausforderung. Die Membran ist nur 100 Mikrometer stark. „Druckdifferenzen von 100 bar sind eine große Belastung für die Membran. Sie darf nicht beschädigt werden. Daher müssen die Kräfte möglichst homogen in der Zelle verteilt werden, sodass die Membran nicht so stark belastet wird“, sagt Rost. Auch Strom, Temperatur und Abwärme sollen möglichst homogen verteilt werden. Eine verbesserte Langzeitstabilität des gesamten Systems führt zu einer Kostenreduktion.
Erste Zwischenergebnisse zur Gesamtfunktionalität werden für den Sommer 2026 erwartet.
Das erste Einsatzgebiet soll das Verdichten von kleinen Gasmengen für Energiesysteme in Einfamilienhäusern sein, auch die dezentrale Verdichtung an Tankstellen sei denkbar oder das Befüllen von Standard-Gasflaschen mit 200 bar. In der Halbleiterindustrie könnte der elektrochemische Verdichter als Gasreiniger eingesetzt werden. Selbst im zukünftigen Wasserstoff-Kernnetz sehen die Forschenden ein Einsatzgebiet – zumindest perspektivisch.
Pulver-zu-Rolle-Verfahren
Das Pulver-zu-Rolle-Verfahren wurde vom Fraunhofer Institut Umsicht entwickelt. Es ist eine lösungsmittelfreie Technologie zur Beschichtung flexibler Trägermaterialien (Folien, Bänder) durch elektrostatische Abscheidung von Funktionspulvern, um zum Beispiel Batteriematerialien oder andere funktionale Schichten herzustellen. Dabei wird das Material kontinuierlich von einer Rolle abgewickelt, beschichtet und wieder aufgewickelt. Dies spart Energie und senkt Kosten.
Sehen Sie zu thermischer Verdichtung auch das HZwei-Video an.
