Effiziente und massenfertigungstaugliche Elektroden für die Herstellung von Wasserstoff mittels alkalischer Elektrolyse

Dresden / 29. September 2020

Der Energieträger Wasserstoff kann sehr effizient aus erneuerbaren Energien über Elektrolyse von Wasser produziert werden. In industriellen Elektrolyse-Anlagen sind Elektroden mit einer Gesamtfläche von mehreren hundert Quadratmetern verbaut. Erfahren Sie, wie das Fraunhofer IFAM für die Industrie massenfertigungstaugliche Elektroden entwickelt und qualifiziert.

Querschnittsaufnahme eines Raney-Nickel-beschichteten Metall-Substrates (Gitterstruktur)
© Fraunhofer IFAM Dresden
Querschnittsaufnahme eines Raney-Nickel-beschichteten Metall-Substrates (Gitterstruktur)
Industrieller alkalischer atmosphärischer Testelektrolyseur am Fraunhofer IFAM Dresden
© Fraunhofer IFAM Dresden
Industrieller alkalischer atmosphärischer Testelektrolyseur am Fraunhofer IFAM Dresden

Vor dem Hintergrund der Energiewende und der damit verbundenen unabdingbaren Nutzung klimafreundlicher Energieträger hat der Dresdner Institutsteil des Fraunhofer-Institutes für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in den vergangenen Jahren eine starke und sichtbare Kompetenz im Bereich Wasserstofftechnologie aufgebaut. Ein thematischer Arbeitsschwerpunkt ist die Entwicklung von Werkstoffen und Fertigungstechnologien von Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse (AEL) für eine nachhaltige und hocheffiziente Wasserstofferzeugung. Im Rahmen mehrerer öffentlicher als auch bilateraler Industrieprojekte konnten wesentliche Fortschritte in den Bereichen Elektrokatalysatoren und Elektrodenfertigung erzielt werden.

Derzeit sind alkalische Elektrolyseure mit einer Einzelstackleistung bis 5 MWel am Markt verfügbar. Sie werden auf Komponentenebene hinsichtlich Robustheit, Raum-Zeit-Ausbeute und flexibler Betriebsweise sowie der Kosten optimiert. Es gibt drei vorrangige Entwicklungsziele:

  • Senkung der Materialkosten (keine Edelmetalle, kein Titan, keine kritischen Rohstoffe)
  • Senkung der Komponentenkosten (kostengünstigere Fertigungsmethoden und höher integrierte Komponenten zur Reduktion des Assembling-Aufwands etc.).
  • Verbesserung der Betriebsparameter (höhere Stromdichten)

Die Güte von Elektroden richtet sich nach zwei Hauptfaktoren: Erstens niedrige Überspannung und zweitens hohe Langlebigkeit des Elektrokatalysators und der Elektrodenstruktur als Ganzes. Die Überspannung ist definiert als die Differenz zwischen dem reversiblen Potential (thermodynamisches Ideal) für die entsprechende Wasserspaltungsreaktion Urev und der tatsächlich notwendigen Spannung Ureal, die für die Produktion von Wasserstoff bzw. Sauerstoff angelegt werden muss. Die branchenbekannten Bestwerte für Zellspannungen in alkalischen Elektrolyseuren belaufen sich auf 1,8 bis 2,0 V. Generell steigt aber die Elektrodenüberspannung mit zunehmender Stromdichte an, so dass auf technischem Maßstab typischerweise mit Stromdichten von lediglich 0,3 A/cm² gearbeitet wird.

Für die Kathoden, an denen es zur Wasserstoffbildung kommt (HER - hydrogen evolution reaction), ist naturgemäß Platin das geeignetste Material, da es eine sehr geringe Überspannung aufweist. Allerdings ist es - wie auch andere Edelmetalle - aufgrund des hohen Materialpreises nicht marktfähig. Deshalb wurden verschiedene preiswertere Katalysatormaterialien, die ebenfalls eine hohe HER-Aktivität (geringe Überspannung) aufweisen, entwickelt. Hier zeigen vor allem Nickel- und Eisenverbindungen die besten Eigenschaften. Die heute technisch am weitesten verbreiteten Elektrodenmaterialien sind Schichten aus Raney-Nickel bzw. Nickel-Molybdän. Im Vergleich zu glatten Oberflächen weisen Raney-artige Oberflächenschichten eine für die Reaktion deutlich größere elektrochemische aktive Oberfläche sowie eine erhöhte Strukturdefektdichte auf. Deshalb kann bei gleicher nomineller Stromdichte eine vergleichsweise niedrige HER-Überspannung erzielt werden.

Die F/E-Arbeiten am Fraunhofer IFAM Dresden haben ergeben, dass sich besonders dreidimensionale zellulare metallische Strukturen (Netze, Schäume, Streckmetalle, Faserstrukturen) sehr gut als stromführende Elektrodensubstratmaterialien eignen. Diese können oberflächlich mit effizienten und langzeitstabilen Katalysatoren beschichtet werden (Bild 1). Somit werden besonders die Stromdichte und damit die Raum-Zeit-Ausbeute des Elektrolyseprozesses bei gleichzeitig hoher Langzeitstabilität erhöht.

Am Fraunhofer IFAM wurde ein pulvermetallurgisches Verfahren entwickelt, das langzeitstabile und homogene Beschichtungen der dreidimensionalen Metallsubstrate mit effizienten Elektrokatalysatoren auf Basis von Nickel, Nickel-Cobalt, Nickel-Molybdän oder Nickel-Mangan erlaubt. Vorstufen von Elektrokatalysatoren werden als Pulver auf das zellulare Substrat gezielt aufgebracht. Durch eine komplizierte, mehrstufige Wärmebehandlung kommt es anschließend zu Diffusions- und Phasenbildungsprozessen. Im Ergebnis stellt sich die aktive Katalysatorschicht ein, die mechanisch fest und elektrisch leitend mit dem stromführenden Substrat verbunden ist.  Durch eine zusätzliche selektive Laugung kann die spezifische Oberfläche weiter erhöht werden.

Neben den Aktivitäten zur Entwicklung von Elektrodenmaterialien und 3D-Strukturen für die alkalische Elektrolyse beschäftigt sich die Abteilung Wasserstofftechnologie am Fraunhofer IFAM Dresden u.a. auch mit Materialien und Systemen zur Wasserstoffspeicherung mittels Wasserstoff-Feststoff-Reaktionen, z. B. Metallhydride, Komplexhydride, Hydridverbundwerkstoffe, MOFs und Graphite. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Bereich Hydrolyse, d.h. die Wasserstofferzeugung mittels Wasser-Feststoff-Reaktionen.