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.

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.%

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.

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

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A Powder Metallurgy Route to Produce Raney-Nickel Electrodes for AlkalineWater Electrolysis
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Nanocrystalline Fe60Co20Si10B10 as a cathode catalyst for alkaline water electrolysis: Impact of surface activation
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Ultrashort-pulse laser structured titanium surfaces with sputter-coated platinum catalyst as hydrogen evolution electrodes for alkaline water electrolysis
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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

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Green hydrogen from anion exchange membrane water electrolysis: a review of recent developments in critical materials and operating conditions 
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The activity of nanocrystalline Fe-based alloys as electrode materials for the hydrogen evolution reaction
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Femtosecond-laser structuring of Ni electrodes for highly active hydrogen evolution
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