Entwicklung und Charakterisierung von Elektroden für die Sauerstoffentwicklung in der alkalischen Wasserelektrolyse

Koj, Matthias GND

Die alkalische Wasserelektrolyse (AEL) zur elektrochemischen Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff wird im industriellen Maßstab seit über 100 Jahren verwendet. Insbesondere im letzten Jahrzehnt ist die Wasserelektrolyse aufgrund des steigenden Anteils erneuerbarer Energien und der damit verbundenen Suche nach geeigneten Technologien zur Speicherung von großen Energiemengen wieder in den Fokus der Forschung gerückt. Ebenfalls von Bedeutung für die Renaissance der Wasserelektrolyse ist die vielfach diskutierte Dekarbonisierung der Wirtschaft und die damit verbundene Suche nach alternativen Energieträgern wie regenerativ erzeugtem Wasserstoff. Um die AEL für die zukünftigen Anwendungen im Bereich der Wasserstoffwirtschaft weiterzuentwickeln, sollten insbesondere die Geometrie der Elektrodenträger und Elektrodenherstellungsmethoden zur Vergrößerung der elektrochemisch aktiven Oberfläche sowie neuartige Elektrolyseurkonzepte untersucht und optimiert werden. In der vorliegenden Arbeit wurden daher unterschiedliche Methoden zur Herstellung von Elektroden entwickelt und deren Einflüsse auf die elektrochemischen Widerstände in der AEL analysiert. Im Fokus der Entwicklung stand insbesondere die Untersuchung des An- und Abtransports des Elektrolyten und der Gasabfuhr sowie der Einfluss von Betriebsbedingungen für sauerstoffentwickelnde Elektroden. Die Untersuchung und Optimierung der Makrostrukturierung von Elektrodenträgermaterialien erfolgte durch Variation der Maschenweiten von beschichteten Netz-Elektroden. Um die aktive Elektrodenoberfläche zu vergrößern wurde ein neuartiges Laserablationsverfahren verwendet. Mithilfe dieses Verfahrens konnte erfolgreich eine definierten Mikro- undNanostrukturierung auf der Elektrodenoberfläche erzeugt werden und die Katalysatorzusammensetzung gezielt beeinflusst werden. Eine weitere Steigerung der aktiven Elektrodenoberfläche erfolgte durch die Verwendung von Elektroden mit dreidimensionalen makro-, mikro- und nanostrukturierten Porensystemen. Hierzu wurde ein neuartiges Verfahrenskonzept (Hybrid-AEL) unter Verwendung einer Gasdiffusionselektrode als Anode entwickelt. Durch den veränderten An- und Abtransport der Edukte und Produkte sowie der vergrößerten Elektrodenoberfläche konnten die elektrochemischen Widerstände verringert werden. Zudem bilden sich auf der Anodenseite lediglich Sauerstoff und Wasser, wodurch der Anolytkreislauf entfällt und entsprechend das Verfahrenskonzept vereinfacht werden konnte.

The alkaline water electrolysis (AEL) for the electrochemical production of hydrogen and oxygen has been used on an industrial scale for over 100 years. Especially in the last decade, water electrolysis has gained more and more research attention due to the increasing share of renewable energies and the related search for suitable technologies for the storage of large amounts of energy. Important also for the renaissance of water electrolysis is the widely discussed decarbonization of the economy and the associated search for alternative energy sources such as regeneratively produced hydrogen. In order to develop AEL for future applications in the hydrogen economy, the electrodes geometry and electrode manufacturing methods for increasing the electrochemically active surface area as well as new electrolyser concepts should be investigated and optimized. In the present work different methods for the production of electrodes were developed and their influences on the electrochemical resistances in the AEL were analyzed. In particular, the development focused on the investigation of electrodes geometry and removal of the electrolyte and the gas as well as the influence of operating conditions for oxygen developing electrodes. The investigation and optimization of the macro structuring of electrodes geometry was carried out by varying the mesh sizes of coated mesh electrodes. A novel laser ablation technique was used to increase the active electrode surface. By means of this method, a defined micro- and nanostructuring on the electrode surface could be successfully created and the catalyst composition could be specifically adjusted. The active electrode surface was further increased by using electrodes with three-dimensional macro-, micro- and nanostructured pore system. For this purpose, a novel process concept (hybrid AEL) was developed using a gas diffusion electrode as anode. Due to the modified transport of the educts and products as well as the increased electrode surface, the electrochemical resistances could be reduced. In addition, only oxygen and water are formed on the anode side, thus eliminating necessity of an anolyte cycle and simplifying the process concept accordingly.

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Koj, Matthias: Entwicklung und Charakterisierung von Elektroden für die Sauerstoffentwicklung in der alkalischen Wasserelektrolyse. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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