Textilbasierte Wasserelektrolyse
(INNO-KOM-Ost VF120010)

Abstract

Im Rahmen des Vorhabens wurden Membranelektroden entwickelt, mit denen sich die Effizienz der Wasserelektrolyse von verschiedenen Anlagensystemen optimieren lässt. Eingesetzt werden:

  1. Kleinanlagen für die Steigerung der Effizienz von Verbrennungsmotoren und die Rückgewinnung von Brennstoff beim Bremsen für Brennstoffzellenfahrzeuge,
  2. mittlere Anlagen, die in neuen Hybridkraftwerken benötigt werden, um überschüssige Windenergie als Wasserstoff zwischenzuspeichern und in der Kombination mit Biogasanlagen wieder in Strom umzuwandeln,
  3. Großanlagen, die für die Umwandlung der Windenergie von Offshore-Parks benötigt werden, um die Energie nicht über Überlandhochspannungsleitungen zu befördern, sondern das Erdgas aus der Nordsee in die Industriezentren in Mittel- und Süddeutschland über vorhandene Erdgasleitungen zu transportieren.

Insbesondere bei Kleinanlagen kann mit den textilen Elektroden nicht nur die Effizienz der Wasserelektrolyse gesteigert, sondern auch das Gewicht und die Größe der Zelle deutlich verringert werden. Dies ist für die oben genannten Applikationen essentiell. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass leitfähige Garne und daraus strukturierte Elektroden sich für weitere technische Einsatzgebiete eignen.

Aufgabenstellung/Lösungsweg
   
Zur Erreichung der Zielstellung wurde zunächst eine geteilte Wasserelektrolysezelle für den variablen Einsatz von formstabilen platinierten Titananoden in Verbindung mit unterschiedlichen Membranen und textilen Gegenelektroden aufgebaut. Untersuchungen zur Eignung von textilen Elektrodenstrukturen auf der Kathodenseite sowie die Bestimmung der mittleren Gasblasengröße aus Videoaufnahmen schlossen sich an. Für einen optimalen Gasabtransport erfolgte die Erarbeitung einer Konzeption von Kanalstrukturen aus der mittleren Gasblasengröße. Mit der Entwicklung von textilen Strukturen, auf die sich die theoretischen Überlegungen übertragen lassen, fanden erste Vorversuche für die Erstellung des Demonstrators statt. Abbildung 1 zeigt das Modell einer dreidimensionalen Gas entwickelnden Elektrode mit den Parametern Elektrodenspaltenabstand Δx, Faserabstand in der Spalte Δy, Faserdurchmesser d, Faserlänge (Elektrodentiefe) s, Elektrolytleitfähigkeit σelectrolyte, Membranleitfähigkeit σmembran, spezifischer Charge Transfer (CT)-Widerstand ρCT (bzw. CT-Leitfähigkeit σCT = 1/ρCT, mittlere Gasblasengröße dbubble_av.
 

Modell einer dreidimensionalen Gas entwickelnden Elektrode
Abb. 1: Modell einer dreidimensionalen Gas entwickelnden Elektrode

Die Verifizierung des Gasabtransports in der textilen Kathode in der Stackzelle wurde zunächst mit einer formstabilen Anode als Gegenelektrode durchgeführt. Sie bildete die Basis für die Bestimmung des Einflusses von Filament- und Fadenfeinheit auf die charakteristischen Zelldaten wie Zellwiderstand und maximale Stromdichte sowie Effizienz der Zelle (vgl. Abb. 2).
 

Abb. 2: Aufnahmen aus Videosequenzen zur Analyse des Einflusses der Stromdichte auf die Bildung der Gasblasen und deren Ablösung von der zylindrischen Faser
Abb. 2: Aufnahmen aus Videosequenzen zur Analyse des Einflusses der Stromdichte auf die Bildung der Gasblasen und deren Ablösung von der zylindrischen Faser


Für die Entwicklung von textilen Kathoden wurden spezielle ELITEX®-Garne mit optimaler Filament- und Garnfeinheit getestet. Zur Herstellung der Anode wurden korrosionsstabile hochleitfähige Garne eingesetzt. Die Erzeugung von platinierten Garnen sowie die Charakterisierung der Korrosionseigenschaften (cyclovoltammetrische und impedanzspektroskopische Untersuchungen) schlossen sich an.
Mit der Entwicklung einer textilen Membranelektrode aus den textilen Kathoden durch Kaschierung mit Nafionmembranen sowie der Charakterisierung und Testung der textilen Membranelektroden für die Wasserelektrolyse an der Modellstackzelle schlossen die Arbeiten ab.

Anwendungen

Neben der Rückgewinnung von Brennstoff beim Bremsen für Brennstoffzellenfahrzeuge (Kleinanlagen) und dem Einsatz in neuartigen Hybridkraftwerken, die überschüssige Windenergie als Wasserstoff zwischenspeichern und in der Kombination mit Biogasanlagen wieder in Strom umwandeln (mittlere Anlagen), ist die effiziente Umwandlung von Strom von Offshore-Windkraftanlagen in Wasserstoff (Großanlagen), der über die Sabatierreaktion mit Kohlendioxid in künstliches Erdgas umgewandelt werden kann, die zukunftsträchtigste industrielle Verwertung der Forschungsergebnisse. Damit leistet das abgeschlossene Vorhaben einen entscheidenden Beitrag zur Unterstützung des von Audi mit Partnern im Projekt P2G (Power to Gas) vorgestellten Konzeptes für die regenerative Energieerzeugung, -speicherung und -transport zum Verbraucher CO2-neutral und ohne neue Hochspannungstrassen.

Ansprechpartner

Dr. Andreas Neudeck

 
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