Fluiddynamisch aktivierte und skalierbar herstellbare Elektroden für die hocheffiziente Wasserstoffproduktion

Projektbeschreibung

Teilvorhaben 1:

Entwicklung einer makroskopischen Elektrodenarchitektur und skalierbarer Umformverfahren für die hocheffiziente Wasserstoffproduktion

Zur Erreichung der Klimaziele und der Sprinterziele der Mission Wasserstoff 2030, insbesondere der Reduktion von Treibhausgasemissionen und der Senkung der Investitionskosten für Elektrolyseure, ist der Ausbau großskaliger Elektrolysekapazitäten erforderlich. Die alkalische Wasserelektrolyse gilt als etabliertes Verfahren, da sie den Einsatz kostengünstiger Elektrodenwerkstoffe wie Nickel erlaubt. Ihre Effizienz wird jedoch durch gasinduzierte Leitfähigkeitsverluste begrenzt: Gasblasen werden vom Elektrodenzwischenraum nicht effizient Abgeführt, sowie sie behindern den Stofftransport an die Elektrodenoberfläche und erhöhen somit die Überspannung, was zu Wirkungsgradeinbüßen auf Zellen- und Elektrolyseurebene führt.

Strömungsoptimierte Elektrodendesigns können diese Effekte reduzieren, werden bislang jedoch häufig mit additiven Fertigungsverfahren hergestellt, die hinsichtlich Kosten und Skalierbarkeit limitiert sind. Ziel des Vorhabens ist daher die Entwicklung fluiddynamisch optimierter Elektrodengeometrien, die eine effiziente Gasblasenabführung ermöglichen und zugleich mit großserientauglichen, hochproduktiven Umformverfahren herstellbar sind.

Im Mittelpunkt von Teilvorhaben I steht die makroskopische Gestaltung von Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse. Durch die Kopplung fluiddynamischer Auslegung und umformtechnischer Prozessentwicklung sollen Elektrodengeometrien realisiert werden, die Gasblasen effizienter Abführen, den Stofftransport an den Aktivflächen verbessern und somit gasinduzierte Verluste reduzieren und den Wirkungsgrad bei gleicher Stromdichte erhöhen. Die industrielle Umsetzbarkeit wird durch eine fertigungsgerechte Auslegung für etablierte Schneid-, Biege- und Streckprozesse sichergestellt. Auf dieser Basis werden adaptive Folgeverbundwerkzeuge, Design- und Prozessrichtlinien entwickelt und über Demonstratorbauteile sowie gezielten Wissenstransfer insbesondere für KMU nutzbar gemacht.

Teilvorhaben 2:

Oberflächentechnische Optimierung fluiddynamisch aktivierter Elektroden für die hocheffiziente Wasserstoffproduktion

das Teilvorhaben entwickelt kostengünstige, industriell skalierbar herstellbare Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse, die hohe Stromdichten bei niedrigen Überspannungen ermöglichen. Kern ist die gezielte Beeinflussung von Gasblasenbildung, -wachstum und -ablösung sowie die Steigerung der elektrochemischen Aktivität durch skalenübergreifende Oberflächenstrukturierung und galvanische Beschichtungen. Mesoskalige Strukturen im Bereich 50–1000 µm werden durch Prägen und Walzen als Kavitäten und Leitelemente eingebracht, um die Blasenablösung zu beschleunigen. Mikroskalige Rauheit wird über Walzprozesse eingestellt, wodurch die spezifische Oberfläche steigt und die Haftung nachfolgender Schichten verbessert wird. Galvanische Katalysatorschichten mit einstellbarer Morphologie und Zusammensetzung (Ni–Mo für die HER, Ni–Fe für die OER) werden durch Variation von Stromdichte, Pulsen, Elektrolytzusammensetzung, pH, Temperatur und Additiven optimiert. Die Auslegung von Prägewerkzeugen und Walztexturen erfolgt FE-gestützt und wird experimentell validiert.

Die elektrochemische Bewertung erfolgt iterativ in Halbzellen mit 2–4 cm² aktiver Fläche unter betriebsnahen Bedingungen (60–80 °C, 30% KOH) mittels Polarisationskurven, Impedanzspektroskopie und Dauertests; in Vollzellen mit 100 cm² werden zudem Gasreinheit und Gascrossover bestimmt. Das IBF der RWTH Aachen verantwortet Walz- und Prägeprozesse, Simulation und Strukturübertragung; das ICVT der TU Clausthal die Galvanik, Material- und Elektrodencharakterisierung sowie Zelltests. Erwartet werden messbare Überspannungsreduktionen gegenüber unstrukturierten beziehungsweise unbeschichteten Referenzen, Prototypen mit integrierter Makrostruktur aus TVH I, eine Bewertungsmatrix der Makro-/Mikroeffekte auf Stofftransport, Aktivität und Gasreinheit sowie der Entwurf einer durchgängigen, skalierbaren Herstellungsroute. Die Verwertung erfolgt über Richtlinien und Merkblätter, Workshops und Demonstratoren für beteiligte Unternehmen.