Elektrolyse

In Folge der Verknappung von fossilen Brennstoffen und der notwendigen Reduktion von Treibhausgasen befindet sich die Energiewirtschaft in einem Umbruch. Wasserstoff wird dabei als Sekundärenergieträger eine immer wichtigere Rolle spielen. Es muss gelingen, seine Herstellung kostengünstig und klimaneutral zu bewerkstelligen. Die alkalische Wasserelektrolyse besitzt das Potential, diesen Anforderungen durch eine Kopplung mit regenerativen Energien (Wind, Solar) gerecht zu werden. Allerdings ist es in den letzten Jahren nur zu geringen technologischen Weiterentwicklungen hinsichtlich Leistungsdichte und Effizienzsteigerung gekommen.

 

Nanokristalline Elektroden

Die elektrokatalytische Aktivität von Elektroden und damit die Effizienz des Elektrolyseprozesses werden durch nanokristalline Elektrodenoberflächen positiv beeinflusst. Diese Nanokristallinität kann gezielt durch Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen eingestellt werden. Am Fraunhofer IFAM Dresden werden nanokristalline Metalllegierungen (Fe- und Ni-Basislegierungen), die auf schmelzmetallurgischem Wege hergestellt werden, auf ihre Eignung als Elektrodenmaterial hin entwickelt und getestet.

3D-Elektroden

Poröse Elektroden ermöglichen es, die aktive Elektrodenoberfläche deutlich zu steigern und den Gas-Elektrolyt-Fluss jeweils über die Porenstruktur zu steuern. Am Fraunhofer IFAM Dresden sind wir in der Lage, poröse Metallschäume oder Vliese so zu modifizieren, dass sie nanokristalline, elektrokatalytisch hochaktive Oberflächen ausbilden:


    Porengröße: 5 – 1200 µm
    Porosität: 50 – 95 Vol.%

Elektrochemische und Strukturuntersuchungen

Das Fraunhofer IFAM Dresden ist mit verschiedene hochmodernen Analyseapparaturen ausgestattet, mit denen die elektrochemischen, oberflächenmorphologischen sowie strukturellen Eigenschaften aufgeklärt werden können:

    Elektrochemische Analytik
    - Zyklische Voltammetrie (CV)
    - elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
    - Polarisationsmethoden

    Rasterelektronenmikroskopie (REM)

    Rastersondenmikroskopie
    - Atomkraftmikroskopie (AFM)
    - Rastertunnelmikroskopie (STM)
    - Elektrochemisches STM (EC-STM) und elektrochemische
      Rasterpotentialmikroskopie (SECPM) für in situ Untersuchungen
      in Flüssigkeiten

Labor-Elektrolyseur

Die Anwendbarkeit der Elektroden unter realistischen Bedingungen eines alkalischen Elektrolyseurs (z.B. 80°C, 30 Gew.-% KOH) kann in einem eigens dafür konzipierten Labor-Elektrolyseur getestet werden. Durch seine durchdachte Bauweise können verschiedene Elektrodenkonfigurationen und Betriebsparameter getestet werden:

    Ein-Zellen-Design
    20°C ... 80°C
    atmosphärischer Druck
    5 Normliter-H₂ pro Stunde

Literaturempfehlungen

C. I. Bernäcker, T. Rauscher, T. Büttner, B. Kieback, L. Röntzsch
A Powder Metallurgy Route to Produce Raney-Nickel Electrodes for AlkalineWater Electrolysis
Journal of the Electrochemical Society, 166 (6), 2019, F357-F363

M. Durovic, J. Hnát, C. I. Bernäcker, T. Rauscher, L. Röntzsch, M. Paidar, K. Bouzek
Nanocrystalline Fe60Co20Si10B10 as a cathode catalyst for alkaline water electrolysis: Impact of surface activation
Electrochemica Acta 306, 688-697, 2019

A. Gabler, C. I. Müller, T. Rauscher, T. Gimpel, R. Hahn, M. Köhring, B. Kieback, L. Röntzsch, W. Schade
Ultrashort-pulse laser structured titanium surfaces with sputter-coated platinum catalyst as hydrogen evolution electrodes for alkaline water electrolysis
International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 43, Issue 15, 2018, 7216-7226

A. Gabler, C. I. Müller, T. Rauscher, M. Köhring, B. Kieback, L. Röntzsch, W. Schade
Ultrashort pulse laser-structured nickel surfaces as hydrogen evolution electrodes for alkaline water electrolysis
International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 42, Issue 16, 2017, 10826-10833

C. I. Müller, K. Sellschopp, M. Tegel, T. Rauscher, B. Kieback, L. Röntzsch
The activity of nanocrystalline Fe-based alloys as electrode materials for the hydrogen evolution reaction
Journal of Power Sources 304, 2016, 196-206

C. I. Müller, T. Rauscher, A. Schmidt, T. Schubert, T. Weißgärber, B. Kieback, L. Röntzsch
Electrochemical investigations on amorphous Febase alloys for the alkaline water electrolysis
International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39 Issue 17, 2014, 8926–8937

T. Rauscher, C.I. Bernäcker, U. Mühle, B. Kieback, L. Röntzsch
The effect of Fe as constituent in Ni-base alloys on the oxygen evolution reaction in alkaline solutions at high current densities
International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 44, Issue 13, 2019, 6392-6402

T. Rauscher, C.I. Müller, A. Gabler, T. Gimpel, M. Köhring, B. Kieback, W. Schade, L. Röntzsch
Femtosecond-laser structuring of Ni electrodes for highly active hydrogen evolution
Electrochimica Acta, Vol. 247, 2017, 1130-1139

T. Rauscher, C.I. Müller, A. Schmidt, B. Kieback, L. Röntzsch
Ni-Mo-B alloys as cathode material for alkaline water electrolysis
International Journal of Hydrogen Energy 41, 2016, 2165-2176