E2ngel - Edelmetallfreie Elektroden für die nächste Generation der Alkalischen Elektrolyse; Teilprojekt KS Gleitlager: Hochintegriertes Elektrodenpaket basierend auf skalierbaren Fertigungstechnologien

Abstract

Die Alkalische Elektrolyse (AEL) ist die älteste und industriell erprobteste Elektrolysetechnologie. Konventionelle AEL nutzt Nickel-Elektroden, die zur Leistungssteigerung oft mit Edelmetallen beschichtet werden, was die Kosten/betrieblichen Aufwand erhöht. Neben der katalytischen Aktivität bestimmen Porosität und Struktur die Zellleistung. Entscheidend ist außerdem die mechanische und elektrochemische Stabilität unter Elektrolyse-Betriebsbedingungen. Die Optimierung der Elektroden erfordert daher ein Abwägen zwischen katalytischer Aktivität und materieller Robustheit. Mit Hilfe des Plasmaspritzens hatte das DLR in der Vergangenheit bereits NiAlMo-Kathoden mit vielversprechender Leistungsfähigkeit entwickelt (TRL3). E²ngel setzte hier an, indem neue Katalysatormaterialien in Form von metallischen Pulvern entwickelt und mittels des atmosphärischen Plasmaspritzverfahrens (APS) auf Ni-Substrate aufgebracht wurden. Insgesamt wurden neun Katalysatorsysteme untersucht und die zwei vielversprechendsten prozessseitig auf eine Elektrodenfläche von bis zu 1 m² skaliert. Die Elektroden wurden durch zahlreiche Zelltests auf ihre elektrochemischen Eigenschaften und Dauerstabilität hin untersucht. Ein abschließender 60 kW-Stacktest ergab hervorragende Betriebswerte bei Stromdichten von bis zu 1 A/cm². So konnte unter anderem gezeigt werden, dass der Einsatz von APS-beschichteten Anoden im Vergleich zu heute üblichen konventionellen Ni-Anoden ca. 160 mV Zellspannungsvorteil im Stack bewirkt. Gleichzeitig wurden die Lebensdauer der E²ngel-Elektroden für 2350 h im Stackbetrieb nachgewiesen. Der Einsatz der leistungsstarken E²ngel-Elektroden in industriellen AEL-Systemen würde die effizientere und damit günstigere Produktion von Wasserstoff ermöglichen. Mehr noch, Elektrolyse-Systeme können mit höheren Wasserstoffproduktionsraten (höhere Stromdichte) ohne Effizienzeinbußen ausgelegt und betrieben werden, was die CAPEX-Aufwendungen für die Elektrolysestacks signifikant reduziert.