Magnetfeldbasierte Steigerung der Wasserstoffproduktion während der Wasserelektrolyse

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Kerstin Eckert; Dr. Margitta Uhlemann, seit 1/2013
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234361163

Die Energiewende zielt auf die Erhöhung der Energieproduktion aus erneuerbaren Energiequellen ab. Die Wasserstoffgewinnung durch Wasserelektrolyse ist dafür besonders interessant, weil sie bei Überkapazitäten mittels Strom aus Solar- und Windkraftanlagen betrieben werden kann. Der hergestellte Wasserstoff dient dabei als chemischer Energiespeicher und mobiler Energieträger. Gleichzeitig kann der hergestellte Wasserstoff für den Betrieb umweltfreundlicher Brennstoffzellen genutzt werden. Dafür ist die Effizienz der Wasserelektrolyse, die derzeit bei ca. 65 % für alkalische Wasserelektrolysatoren liegt, zu gering. Hauptursache hierfür ist der hohe Spannungsabfall als Folge der Erhöhung des Elektrolytwiderstands durch die gebildeten Wasserstoffblasen. Eine weitere wichtige Ursache ist die Verringerung der aktiven Elektrodenfläche durch an ihr gebildete und anhaftende Blasen. Der im Projekt verfolgte Ansatz widmet sich dem gezielten Blasenmanagement mittels magnetischer Felder und zielt auf eine Erhöhung der Effizienz der Wasserelektrolyse.Hierfür werden preiswerte, kommerziell verfügbare NdFeB-Permanentmagnete genutzt. Die im Umfeld der Blasen induzierten Lorentzkräfte erzeugen eine magnetohydrodynamische (MHD) Konvektion, die die Ablösung der Blasen von der Elektrode beschleunigen kann. Dieser Effekt soll in diesem Projekt durch die Kombintion von elektrochemischen und hydrodynamischen Experimenten besser verstanden und später gezielt zur Effizienzsteigerung genutzt werden.Zur grundlegenden Untersuchung der elektrochemischen Prozesse an Elektroden mit unterschiedlichen katalytischen und magnetischen Eigenschaften (Au, Pt, Ni) werden elektrochemische Methoden wie Zyklovoltammetrie, Analyse des elektrochemischen Rauschens und Impedanzspektroskopie genutzt. Weiterhin wird das Blasenwachstum mittels optischer Mikroskopie verfolgt, um die Ablösedurchmesser und -raten für generische Blasenensembles zu ermitteln, die durch ein gezieltes Elektrodendesign erzeugt werden. Parallel dazu wird die MHD-Strömung um die Blasen mittels Particle Image Velocimetry untersucht. Besonderes Augenmerk wird auf die Interaktion zwischen mehreren Blasen und den zugehörigen Strömungen gelegt, da hierin die Ursache einer erhöhten Ablöserate gegenüber Einzelblasen vermutet wird.Zusätzlich wird untersucht, ob durch Additivzusatz (primäre Alkohole) oder durch Anwendung von Magnetfeldgradienten eine weitere Steigerung der Blasenablöserate und damit der Effizienz gelingt.Die Ergebnisse der elektrochemischen und hydrodynamischen Untersuchungen werden in einen gemeinsamen Kontext gebracht, um ein umfassendes Verständnis für den Magnetfeldeinfluss auf die Wasserelektrolyse zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Beteiligte Person: Professor Dr. Liangming Pan
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Kristina Tschulik, bis 1/2013