Membranlose Elektrolyseure zur Herstellung von grünem Wasserstoff

© PantherMedia / aa-w

Motivation

Die erstrebte Energiewende hat den Anspruch, Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre zu begrenzen und damit einer drastischen Veränderung des globalen Klimas entgegenwirken. Eine fundamentale Rolle spielen dabei emissionsarme bzw. –freie Technologien, welche fossile Brennstoffe zunehmend ersetzen sollen. Ein Beispiel dafür ist grüner Wasserstoff, welcher aus regenerativen Energien mittels Elektrolyse gewonnen wird. Die nationale Wasserstoffstrategie hat zum Ziel, große Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff zu schaffen. Um dessen Produktion trotz des fluktuierenden Angebots regenerativer Energien marktfähig zu machen, müssen Kosten für Produktion, Betrieb und Wartung von Elektrolyseuren gesenkt werden.

Membranlose Elektrolyseure können dabei durch mehrere Faktoren, wie den einfachen Aufbau, kostengünstigen Elektrodenmaterialien und das Fehlen einer teuren Membran, einen bedeutenden Beitrag leisten.

Ziel und Konzept des Labors

Das H2-Lab beschäftigt sich mit alkalischer Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff mit dem Fokus auf membranlose Technologien. Das Projekt soll eine Plattform zur interdisziplinären Forschungsarbeit am Institut für Verfahrenstechnik und Naturstofftechnik bieten.

Strukturelle Ziele

• Schaffung von Strukturen und Arbeitsräumen zur Interaktion und Kooperation von Forschenden, verbindende Komponente der H2-Strategie an der TUD
• Ermöglichung der interdisziplinären Zusammenarbeit an komplexen Fragestellungen zum Thema Wasserstoff
• Möglichkeit zur fachübergreifenden Arbeit von Studierenden z.B. im Rahmen von Diplom- oder Belegarbeiten

Forschungsziele

• Charakterisierung von Elektroden hinsichtlich Material, Form/Struktur, spezifischer Oberfläche
• Verständnis der Kopplung zwischen Zweiphasenströmung, Massentransport und Elektrochemie bei elektrochemischen Prozessen
• Konzipierung und Bau eines experimentellen Versuchsstands zur membranlosen alkalischen Elektrolyse (mit Möglichkeit der Einbeziehung peripherer Komponenten)

Forschungsschwerpunkte

Die Forschung im H2-Lab konzentriert sich auf die alkalische Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff, im Besonderen mithilfe membranloser Elektrolyseure.

Dabei werden folgende Aspekte beleuchtet:

• Charakterisierung unterschiedlicher Elektroden (Form und Struktur) bei elektrochemischen Versuchen
• Untersuchung der Zweiphasenströmung: Gasblasenentwicklung und –dynamik (Nukleation, Koaleszenz, Ablösung)
• Durchführung elektrochemischer Versuche, Aufnahme mittels Hochgeschwindigkeitskameras
• Entwicklung geeigneter Methoden zur Bildauswertung sowie neuer Sensorik für Mehrphasenströmungen
• Konzipierung und Bau eines membranlosen Elektrolyseurs

Aktuelle Partner

• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Abteilung Transportprozesse an Grenzflächen
• University of Twente
• Eindhoven University of Technology
• ITM Linde
• Linde
• Shell
• Vernetzung innerhalb des Bereichs ING an der TUD (Professoren Fröhlich, Lasagni, Lippmann, Hurtado, Czarske, Gumhold)

Aktuelle Projekte

• Sinewave / H2Giga (2021-2025): Workpackage 3 (OxySepT) [Partner: Linde, ITM Linde, TU München], BMBF
• ECCM KICkstart DE-NL (2022-2024), Partner: Uni Twente Enschede, Funding: NWO
• Innovationspool-Projekt "Solarer H2: hochrein und komprimiert", 2021-2024, [Partner: FZJ, KIT,HI-ERN], Funding: BMBF
• Nachwuchsforschergruppe SEALEC, 2021-2022, R. Baumann, verschiedene TUD-Professuren, SMWK
• neu beantragt: ALKALIMIT, 2024-2027, K. Eckert, [Uni Twente Enschede, TU Eindhoven, VDL, Vitesco], NWO-BMBF

Publikationen

• Syed Sahil Hossain, Aleksandr Bashkatov, Xuegeng Yang, Gerd Mutschke, Kerstin Eckert (2022), Force balance of hydrogen bubbles growing and oscillating on a microelectrode, Physical Review E 106 (3), 035105
• Aleksandr Bashkatov, Syed Sahil Hossain, Gerd Mutschke, Xuegeng Yang, Hannes Rox, Inez M. Weidinger, Kerstin Eckert (2022), On the growth regimes of hydrogen bubbles at Microelectrodes, Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) 24, 26738, DOI: 10.1039/d2cp02092k
• Ömer Akay, Aleksandr Bashkatov, Emerson Coy, Kerstin Eckert, Kristian Etienne Einarsrud, Andreas Friedrich, Benjamin Kimmel, Stefan Loos, Gerd Mutschke, Lars Röntzsch, Mark D. Symes, Xuegeng Yang, Katharina Brinkert (2022), Electrolysis in reduced gravitational environments: current research perspectives and future applications, npj Microgravity (2022) 8:56 (www.nature.com); https://doi.org/10.1038/s41526-022-00239-y
• A Bashkatov, A Babich, SS Hossain, X Yang, G Mutschke, K Eckert (2023), H2 bubble motion reversals during water electrolysis, Journal of Fluid Mechanics 958, A43
• L. Krause,  K. Skibińska, H. Rox, R. Baumann, M. M. Marzec, X. Yang, G. Mutschke, P. Żabiński, A. Fabián Lasagni, K. Eckert (angenommen 23.03.2023), Hydrogen bubble size distribution on nanostructured Ni surfaces: electrochemically active surface area versus wettability, ACS Applied Materials and Interfaces (2023).

Kontakt

Prof. Dr. Kerstin Eckert
Inhaberin der Professur für Transportprozesse an Grenzflächen

+49 351 463-34430

Dr. Xuegeng Yang
Gruppenleiter Elektrochemische Systeme
+49 351 463-32982

Weitere Informationen zum Wasserstoff-Lab sind hier zu finden.