Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
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.
© Fraunhofer IFAM Dresden
Elektrolyse
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
C. I. Bernäcker, T. Rauscher, T. Büttner, B. Kieback, L. Röntzsch
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Zirconia Toughened Alumina-Based Separator Membrane for Advanced Alkaline Water Electrolyzer
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F. Foroughi, C. I. Bernäcker, L. Röntzsch, B. G. Pollet
Understanding the Effects of Ultrasound (408 kHz) on the Hydrogen Evolution Reaction (HER) and the Oxygen Evolution Reaction (OER) on Raney-Ni in Alkaline Media
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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
H. A. Miller, K. Bouzek, J. Hnat, S. Loos, C. I. Bernäcker, T. Weißgärber, L. Röntzsch, J. Meier-Haack
Green hydrogen from anion exchange membrane water electrolysis: a review of recent developments in critical materials and operating conditions
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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
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Spark-plasma-sintered porous electrodes for efficient oxygen evolution in alkaline water electrolysis
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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
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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
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Ni-Mo-B alloys as cathode material for alkaline water electrolysis
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