Nye perspektiver på elektrodedesign for bærekraftig hydrogenproduksjon 

Produksjon av grønt hydrogen ved hjelp av vannelektrolyse er ikke lenger begrenset til laboratorier. Store hydrogenprosjekter basert på alkalisk vannelektrolyse (AWE) og protonutvekslingsmembran-elektrolyse (PEM-vannelektrolyse eller PEMWE, Proton exchange membrane water electrolysis), bygges nå i megawatt – og til og med gigawattskala – og teknologien utvikles raskt. 

Samtidig har disse etablerte teknologiene utfordringer knyttet til blant annet kostnader, levetid og fleksibilitet i drift. Dette har ført til økende interesse for Anionutvekslingsmembran-elektrolyse (AEM-elektrolyse, Anion Exchange Membrane Electrolysis) som et alternativ for neste generasjon elektrolysører. AEM kombinerer flere av fordelene fra de etablerte teknologiene. På samme måte som PEMWE tilbyr teknologien den operative fleksibiliteten som trengs for å integrere variable fornybare energikilder. Samtidig gjør det alkaliske miljøet det mulig å bruke rimeligere og mer tilgjengelige materialer, slik man gjør i tradisjonell alkalisk elektrolyse. 

AEM befinner seg imidlertid fortsatt på et tidligere utviklingsstadium. Særlig er det en stor utfordring å oppnå både høy ytelse og langsiktig stabilitet med dagens elektrodedesign. 

Inne i elektroden

I en elektrolysør er det i elektrodene at vann spaltes og danner hydrogen (H₂) og oksygen (O₂). Dagens mest avanserte elektroder består av et elektrisk ledende porøst transportlag (PTL), ofte laget av et nikkelnett, som legger til rette for transport av vann, gass, og elektroner. På dette laget festes et tynt lag med katalysatorpartikler til PTL-et eller membranen ved hjelp av ioneledende ionomer. 

Denne ionomeren er en polymer som kan transportere ioner mellom katalysatorpartiklene. Samtidig fungerer den som et lim som holder partiklene på plass og hindrer at de løsner og forsvinner ut av elektrolysøren.

Denne flerlags-arkitekturen består av flere komponenter og krever flere produksjonstrinn, blant annet syntese av katalysator-nanopartikler, formulering av katalysatorblekk og påføring ved spray- eller dekaler på en bærende overflate (Figur 1).

Den komplekse produksjonsprosessen bidrar til høye produksjonskostnader og utgjør en betydelig del av investeringskostnadene (CAPEX) for elektrolysørstakken. (IRENA 2020)

For AEM-elektroder kommer det i tillegg ytelsesutfordringer oppå den allerede komplekse produksjonen. Overgangsmetaller er betydelig billigere enn edelmetaller, men de er også iboende mindre aktive som katalysatorer. For å oppnå ønsket ytelse kreves det derfor ofte kjemiske modifikasjoner og større loading.

I tillegg er kunnskapen om anionutvekslingsionomer fortsatt i tidlig fase. Dette kan føre til utfordringer som delaminering av det elektrokatalytiske laget, noe som påvirker elektrolysørens stabilitet negativt. 

Til tross for disse utfordringene er både forskningsmålene og markedets forventninger ambisiøse. Nye elektrodedesign må derfor håndtere produksjonskompleksitet, kostnader, ytelse og stabilitet samtidig. 

Balansen mellom kvalitet og kvantitet

Hvordan kan en mindre aktiv katalysator konkurrere med en svært aktiv katalysator? Én mulig løsning er å balansere kvalitet og kvantitet. 

Når vi vurderer en katalysator, er det lett å fokusere på hvor aktiv den er. Men ytelsen til en elektrode avhenger ikke bare av hvor godt hvert enkelt aktivt område fungerer. Det er også viktig hvor mange slike områder som er tilgjengelige. 

Betyr det at vi bare kan tilføre mer katalysator? 

I praksis er svaret nei. Mer materiale gir ikke nødvendigvis bedre ytelse. Når katalysatorpartikler pakkes tett sammen i et kompakt lag, blir mange av de aktive områdene utilgjengelige på grunn av begrensninger i transporten av reaktanter og produkter. Resultatet er dårlig materialutnyttelse. 

Utfordringen blir derfor å øke antallet tilgjengelige aktive områder uten å bygge opp et tykt og kompakt katalysatorlag med dårligere utbytte. 

En mulig løsning er å utnytte det porøse transportlaget som allerede eksisterer i elektroden bedre.

Maksimal ytelse med færre cellekomponenter

I AEM-elektrolysen består transportlaget (PTL–et) vanligvis av et metallnett laget av nikkelmikrofibre som er vevd eller stablet sammen. Laget gir mekanisk støtte og fungerer som transportvei for vann, gass og ioner. 

Selv om nikkel kan fungere som katalysator for vannspalting, bidrar konvensjonelle PTL-er lite til cellens ytelse fordi overflatearealet er for lavt.  

Derfor stilte vi et enkelt spørsmål: Hva skjer dersom vi øker overflatearealet kraftig? 

Hypotesen var at transportlaget da kunne fungere både som katalysator og som transportmedium. Dermed kunne behovet for et eget katalysatorlag forsvinne. 

For å teste denne hypotesen utviklet vi et nanoPTL ved å redusere tykkelsen på nikkelfibrene fra mikroskala til nanoskala (Figur 2). Fibrene i nanoPTL er omtrent 500 ganger tynnere enn i kommersiell nikkelfilt. Resultatene viste at nanoPTL alene kunne fungere både som aktiv katalysator og transportmedium for AEMEL. (Figur 3). Enda viktigere er at nanoPTL er selvbærende og ikke trenger noe bindemiddel for å opprettholde strukturen. Dermed er det heller ikke nødvendig å bruke ionomer som bindemiddel. 

Ved å integrere to funksjoner i én komponent kan cellekompleksiteten reduseres, samtidig som material- og produksjonskostnadene blir lavere. Færre komponenter og grensesnitt kan også redusere grenseflateresistansen og dermed forbedre den totale energieffektiviteten.

Fra konsept til pågående forskning

SINTEF Industri videreutvikler nå aktivt dette konseptet gjennom de europeiske samarbeidsprosjektene AMELIA og SWEETHY. I begge prosjektene er hovedfokuset å forbedre den iboende aktiviteten til nanoPTL gjennom doping og overflatemodifikasjoner, med mål om å utvikle kostnadseffektive, høytytende og stabile AEM-elektrolysører. 

NanoPTL ble først validert på enkeltcellenivå for AEMWE ved Norwegian Fuel Cell and Hydrogen Centre. Resultatene ble publisert i tidsskriftet ACS Nanoscience Au, og artikkelen ble senere valgt som forsideartikkel i en påfølgende utgave. (Figur 4). 

Arbeidet fortsetter nå med fokus på: 

• forbedret ytelse under mer realistiske driftsforhold 
• forståelse av degraderingsmekanismer over tid 
• oppskalering av produksjonsprosessen for nanoPTL 

En alternativ vei videre

Utviklingen av ny teknologi handler ofte om å forbedre eksisterende komponenter. Hos SINTEF valgte vi å stille et annet spørsmål: 

I stedet for å spørre hvordan katalysatorlaget kunne forbedres, stilte vi spørsmålet om katalysatorlaget kunne fjernes helt. 

Ved å kombinere flere funksjoner i én komponent, forenkle produksjonen, og muliggjøre bruk av mer tilgjengelige materialer, kan det bli mulig å møte flere utfordringer samtidig: ytelse, kostnader, og bærekraft. 

Skal grønt hydrogen skaleres globalt, kan slike tilnærminger representere en alternativ vei videre. 

Konseptet, kjent som selvbærende elektroder, har nylig blitt anerkjent av Europakommisjonens Innovation Radar gjennom AEMELIA-prosjektet, i samarbeid med forskningsorganisasjonen Tecnalia.

Original publikasjon:

Choi, Y., mfl. (2026). Toward simplified electrode design: Development of nickel-efficient catalytic nanoPTL for sustainable AEM water electrolysis. ACS Nanoscience Au. Advance online publication. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnanoscienceau.5c00168 

Bilde øverst i artikkelen: Foto av Thor Nielsen.

*Artikkelen er oversatt, og originalt publisert på engelsk.