Alkalische Wasserelektrolyse mit Gasdiffusionselektroden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Turek
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450621348

Im beantragten Projekt soll eine experimentelle und theoretische Studie zur Verwendung von Gasdiffusionselektroden (GDE) bei der alkalischen Wasserelektrolyse in einer neuartigen „hybriden“ Zellanordnung durch Kombination mit einer klassischen blasenentwickelnden Elektrode durchgeführt werden. Der Schwerpunkt der Arbeiten liegt dabei auf der Verwendung der GDE bei der Sauerstoffentwicklung, da diese Anordnung in Vorarbeiten bereits erfolgreich verwendet wurde. Darüber hinaus sollen GDE auch für die Wasserstoffentwicklung eingesetzt werden, was bisher nicht erprobt wurde. Zunächst soll eine Reihe von GDE mit Nickel und Eisen als Elektrokatalysatoren hergestellt und mithilfe von physikalisch-chemischen Methoden charakterisiert werden, um die Zusammensetzung und das Porensystem der GDE möglichst breit zu variieren. Anschließend finden Untersuchungen in einer speziellen Zelle statt, die es ermöglicht, Überspannung an den GDE in Abhängigkeit von der Stromdichte bei unterschiedlichen Prozessbedingungen (Temperatur, Elektrolytkonzentration, Differenzdruck zwischen Elektrolyt und Gas sowie Anpressdruck der Separator-Elektroden-Einheit) zu messen. Auf diese Weise sollen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen ermittelt und die vielversprechendsten Elektroden für die anschließenden Untersuchungen ausgewählt werden. Ein wesentliches Ziel dieser weiterführenden Messungen ist es, die Leistungsgrenzen der neuartigen Anordnung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und den Eigenschaften des GDE-Porensystems zu ermitteln. Außerdem sollen quantitative Informationen zur Reinheit des entstehenden Sauerstoffs erhalten werden, um die Arbeitshypothese zu überprüfen, dass die Gasreinheit ausschließlich durch die Permeabilität des Separators bestimmt wird und signifikant niedriger ist als bei zusammengeführten Elektrolytkreisläufen in einer klassischen Elektrolysezelle. Darüber hinaus werden in länger andauernden Messungen Informationen zum Durchtritt von Elektrolyt und Kondensat in den Gasraum sowie zur Stabilität der GDE gesammelt. In einem explorativen Arbeitspaket sollen die bei Verwendung der GDE als Anode gewonnenen Erkenntnisse dazu genutzt werden, den Einsatz als Kathode zu überprüfen, um die prinzipielle Machbarkeit dieses alternativen Zellaufbaus zu demonstrieren und die sich durch die wesentlich stärkere Gasentwicklung auf der Wasserstoffseite vermutlich ergebenden Unterschiede zu ermitteln. Parallel zu den experimentellen Arbeitspaketen soll ein mathematisches Modell entwickelt werden, mit dem das Zusammenwirken zwischen elektrochemischer Reaktion und den verschiedenen Transportprozessen in der GDE abgebildet und mit dem die Überspannung an der GDE in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und einer angenommenen Verteilung des Elektrolyten in der GDE berechnet werden kann. Auf diese Weise sollen die wesentlichen Verlustmechanismen aufgeklärt und modellgestützte Ansätze für verbesserte GDE gewonnen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen