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2,5 Millionen Euro für Entwicklung neuer Elektrolysezelle

Forschungsprojekt: Wasserspaltung in der Röhre

| Redakteur: Christian Lüttmann

Mittels Elektrolyse lässt sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Wasserstoff ist als umweltschonender Energieträger begehrt. Doch um dem Ruf als „grüner Treibstoff“ gerecht zu werden, muss die Elektrolyse weiter optimiert werden. Ein neues Forschungsprojekt soll nun preisgünstigere und flexiblere Zellen zur Wasserspaltung entwickeln – in Form von Röhren statt Platten.

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Energie aus Wasser: Durch Elektrolyse lässt sich Wasserstoff gewinnen, der z.B. als Treibstoff für Autos genutzt werden kann (Symbolbild).
Energie aus Wasser: Durch Elektrolyse lässt sich Wasserstoff gewinnen, der z.B. als Treibstoff für Autos genutzt werden kann (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, Pixabay/igorda888 / CC0)

Erlangen – 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: Um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufzuspalten, bedarf es aufwändiger elektrolytischer Verfahren. Häufig werden dafür großflächige, mit Katalysatoren beschichtete Plattenelektroden in riesige Wasserbecken getaucht. Um die chemische Elektrolyse unter hoch korrosiven Bedingungen zu ermöglichen, bestehen die Katalysatoren aus teuren Edelmetallen wie Iridium und Platin. Auch die für den Ionenaustausch zwischen Anode und Kathode benötigte Membran ist ein beachtlicher Kostenfaktor.

Ingenieure und Chemiker der FAU erforschen nun eine Elektrolysezelle, die wesentliche Nachteile der herkömmlichen Technologie umgeht. Ihre Idee: Die Zelle ist nicht platt, sondern röhrenförmig aufgebaut. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das auf vier Jahre angelegte Projekt „Tubulyze” mit insgesamt 2,5 Millionen Euro.

Röhren mit atomgenauer Katalysatorschicht

Kernstück ist der neuen Mikrozelle ist eine aus porösem Titan bestehende Elektrode, die Prof. Dr. Carolin Körner mit ihrem Team am Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Technologie der Metalle im 3D-Druckverfahren herstellt.

Die Oberfläche der Elektrode wird anschließend nanostrukturiert und 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“, sagt Prof. Dr. Julien Bachmann vom Lehrstuhl „Chemistry of Thin Film Materials“, 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.“

Kompakte Bauweise: Schicht auf Schicht

Ein entscheidender Vorteil des röhrenförmigen Aufbaus ist, dass die Ionenaustausch-Membran direkt auf die Titanelektrode aufgebracht werden kann. Diese Verbindung mit der Trägerelektrode ist wesentlich robuster und kostengünstiger als bei flachen Modellen. Als Kathode zur Wasserstoffabspaltung dient ein Kohlenstoffvlies, das mit Platin beschichtet ist. Ein elektrisch leitender Mantel bildet die äußere Hülle der Elektrolyseröhre und ermöglicht den Stromfluss zu den Elektroden.

„Die einzelnen Schichten können in wenigen Fertigungsschritten kombiniert werden und machen die Elektrolyseröhre kompakt und preiswert“, sagt der Chemiker Bachmann. „Außerdem lässt sich die Zahl der eingesetzten Röhrchen viel flexibler an den jeweiligen Wasserstoffbedarf anpassen, als das bei großflächigen Plattenelektroden möglich ist.“

Tests zur Optimierung laufen

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 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 am Main werden Stabilitätstests durchgeführt. „Unser Ziel ist es, ein vereinfachtes und materialsparendes Fertigungsverfahren der röhrenförmigen Elektrolysezellen zu etablieren, das die Energiespeicherung durch Wasserelektrolyse günstiger und attraktiver macht“, schließt Bachmann.

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