Elektrodenprozesse der alkalischen und AEM Wasserelektrolyse

Die Anionen-basierte Wasserelektrolyse, wie alkalisch (AWE) und Anionen-Austausch-Membran-basiert (AEMWE), sind wichtige elektrochemische Technologien zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Es ist essenziell, die Prozesse an den Elektroden (Kathode zur Wasserstoff- und Anode zur Sauerstoff-Entwicklung) sehr gut zu verstehen. Hierfür wird am Fraunhofer IKTS permanent Know-how aufgebaut und die Technologie weiterentwickelt.

Ortsaufgelöste Analytik

An industriell-relevanten Vollzellen werden die Einflüsse von Charge-Transfer und Ionenleitfähigkeit in operando analysiert, gestützt durch Referenz-Elektroden. Zudem werden neben der Analytik zur ortsaufgelösten Druckverteilung in Zellen und Stacks auch Stromdichte- und  Temperaturverteilungen ermittelt. So können besonders aktive oder inaktive Stellen einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) oder einer elektrochemischen Zelle visualisiert werden. Im abgebildeten Fall einer AEMWE-MEA deutet eine hohe Stromdichte am Rand der Aktivfläche (blau) ein nicht optimiertes Flowfield-Design an (Abb. 1).

Gasblasen-Einfluss

Ein weiteres Beispiel stammt aus der Kooperation im Rahmen eines Fraunhofer International Mobility Programms mit Prof. de Groot der TU Eindhoven. Dort wurde das Blasenverhaltenin alkalischen Elektrolyseuren untersucht. Die Gasblasen spielen für die Effizienz des Elektrolyseurs eine wichtige Rolle, da sie sowohl die aktive Oberfläche der Elektroden als auch die Leitfähigkeit des Elektrolyten beeinflussen.

Für die Experimente wurden industrietypische Nickellochbleche mit unterschiedlichen Lochdurchmessern als Elektroden verwendet. Mithilfe einer transparenten Zelle und einer High-Speed-Kamera ist es möglich, die Blasenentstehung von Wasserstoff und Sauerstoff direkt an den Elektroden zu beobachten. Diese Videos wurden durch elektrochemische Analysemethoden (z. B. Impedanzspektroskopie) ergänzt, um die Zusammenhänge zwischen Blasenbildung und elektrochemischen Prozessen zu verstehen.

Die Nickelelektroden mit 2 mm Lochdurchmesser weisen, im Vergleich zu Elektroden mit kleineren Löchern (1 mm und 0,5 mm) die niedrigste Aktivität auf. Die Beobachtung zeigt, dass die Gasblasen mit steigendem Lochdurchmesser größer werden. Die Gasblasengröße wirkt sich negativ auf die Elektrolytleitfähigkeit und die effektive Elektrodenoberfläche aus, welche über Impedanzspektroskopie ermittelt werden kann.

Die gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, die Effizienz der Elektrolyseure zu erhöhen und damit die Technologie der Anionen-basierten Wasserelektrolyse weiter zu optimieren.