2,5 Millionen Euro für Entwicklung neuartiger Elektrolysezelle

Röhrchen statt Platten

Chemiker, Werkstoffwissenschaftler und Chemieingenieure der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), darunter Prof. Dr. Julien Bachmann vom Lehrstuhl Chemistry of Thin Film Materials, entwickeln gemeinsam mit externen Partnern eine neuartige Mikrozelle für die Wasserelektrolyse: Sie wollen die herkömmlichen Plattenelektroden, die zur Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff verwendet werden, durch kompakte, nanostrukturierte Röhrchen ersetzen. Ziele sind eine vereinfachte Herstellung, ein flexiblerer Einsatz und die Einsparung teurer Edelmetalle. Das auf vier Jahre angelegte Projekt „Tubulyze”, das Anfang 2019 startet, wird mit insgesamt 2,5 Millionen Euro gefördert.

Wasserstoff gilt als Hoffnungsträger für eine umwelt- und klimaschonende Speicherung und Bereitstellung von Energie. Das Element ist im Wassermolekül quasi unbegrenzt verfügbar, jedoch nicht leicht zu gewinnen: Für die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff bedarf es aufwändiger elektrolytischer Verfahren. Zumeist werden dafür großflächige, mit Katalysatoren beschichtete Plattenelektroden in riesige Wasserbecken getaucht. Um die chemische Elektrolyse unter hoch korrosiven Bedingungen zu ermöglichen, werden Katalysatoren aus teuren Edelmetallen wie Iridium und Platin eingesetzt. Auch die für den Ionenaustausch zwischen Anode und Kathode benötigte Membran ist ein beachtlicher Kostenfaktor.

Röhrenzelle mit hauchdünner Katalysatorschicht

Ingenieure und Chemiker der FAU erforschen nun eine Elektrolysezelle, die wesentliche Nachteile der herkömmlichen Technologie umgeht. Ihre Idee: Die Zelle ist nicht planar, sondern tubulär, also röhrenförmig aufgebaut. Kernstück ist eine aus porösem Titan bestehende Elektrode, die am Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle (Prof. Dr. Carolin Körner) im 3D-Druckverfahren hergestellt wird. Die Oberfläche der Elektrode wird anschließend nanostrukturiert und durch Atomlagenabscheidung mit einer hauchdünnen Katalysatorschicht – im konkreten Fall mit Iridium – überzogen. „Wir können auf die Stärke eines Atoms genau bestimmen, wie dick die aufgetragene Schicht sein soll“, erklärt Prof. Dr. Julien Bachmann, der das Projekt koordiniert. „So erreichen wir ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis, denn eine dickere Katalysatorschicht führt nicht linear zu einer größeren Stromstärke beziehungsweise zu einem erhöhten Umsatz.“

Kompakt: Schichten liegen direkt aufeinander

Ein entscheidender Vorteil des tubulären Aufbaus ist, dass die Ionenaustausch-Membran direkt auf die Titanelektrode extrudiert werden kann. Diese Verbindung mit der Trägerelektrode ist wesentlich robuster und kostengünstiger als bei planaren Modellen. Als Kathode zur Wasserstoffabspaltung fungiert ein Kohlenstoffvlies, das mit Platin beschichtet ist. Ein Mantel aus elektrisch leitendem Kompositmaterial schließlich bildet die äußere Hülle der Elektrolyseröhre und dient als Elektronenleiter. „Die einzelnen Schichten können in wenigen Fertigungsschritten kombiniert werden und machen die Elektrolyseröhre kompakt und preiswert“, sagt Julien Bachmann. „Außerdem lässt sich die Zahl der eingesetzten Röhrchen viel flexibler an den jeweiligen Wasserstoffbedarf anpassen, als das bei großflächigen Plattenelektroden möglich ist.“

Ziel: industrielle Anwendung in vier bis acht Jahren

Mit insgesamt 2,5 Millionen Euro fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das auf vier Jahre angelegte interdisziplinäre Forschungsprojekt „Tubulyze“. Bis zur industriellen Anwendung bedarf es noch wichtiger Optimierungen, etwa bei der Mikrostruktur der inneren Titananode. Hier müssen die Forscher abwägen, wie das Material beschaffen sein soll. Ist es sehr porös, wird es zwar besser vom Wasser durchströmt, aber die Elektronen fließen schlechter. Bei geringer Porosität ist es umgekehrt. Deshalb suchen Forscher der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Jens Harting am Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN) nach der optimalen Geometrie, die bei maximierter Elektronenaustauschfläche die beste Balance zwischen Wasser- und Stromfluss bietet. An der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg wird die Elektrolysezelle aus den unterschiedlichen Komponenten zusammengebaut und getestet, am Dechema-Forschungsinstitut in Frankfurt (Main) werden Stabilitätstests durchgeführt. Julien Bachmann: „Unser Ziel ist es, ein vereinfachtes und materialsparendes Fertigungsverfahren der tubulären Elektrolysezellen zu etablieren, das die Energiespeicherung durch Wasserelektrolyse günstiger und attraktiver macht.“

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