Die Anwendung einer methodischen Vorgehensweise ermöglicht die anwendungsabhängige Auswahl der Elektrodenmaterialien für Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseverfahren. Weiterhin ist damit auch die optimierte Herstellung neuer Elektroden und elektrochemischer Zellen für technisch relevante Anwendungen realisierbar.
Fragestellung
Die Herausforderungen der Energiewende benötigen effiziente Möglichkeiten zur Energiewandlung und –speicherung. Aus der Grundlagenforschung sind die physikalischen und chemischen Prinzipien dazu bekannt. Damit diese genutzt werden können, sind ausgehend von den realen Anwendungsszenarien elektrochemische Prozesse für beispielsweise Brennstoffzellen, Batterien und Elektrolyseprozesse zu entwickeln. Diese Prozesse erfordern maßgeschneiderte Elektroden für den jeweiligen Anwendungsfall. Zur wirtschaftlich erfolgreichen Umsetzung im Bereich der Energiewandlung und –speicherung ist deshalb eine optimale Auswahl der benötigten Materialien für die Elektroden und deren Herstellungsprozess notwendig.
Lösung
Zunächst wird unter Berücksichtigung der Anwendungs-anforderungen die Materialauswahl für die neu zu entwickelnden Elektroden durchgeführt. Nach experimenteller Ermittlung reaktionstechnischer Daten kann durch begleitende Modellbildung die Ermittlung einer optimierten Materialstruktur erfolgen, die beispielsweise einen angepassten Porengehalt/-durchmesser für die Transportvorgänge der in den Elektrodenvorgängen beteiligten Stoffe aufweist. Daraus werden entsprechende Herstellungsprozesse abgeleitet. Unterstützt wird diese Methode durch die experimentelle Überprüfung der theoretischen Berechnungen. Die dadurch ermittelten Ergebnisse fließen sowohl in die Berechnung als auch in die Elektrodenherstellung ein und führen so zu einer anwendungsabhängigen Leistungsoptimierung. Durch diese methodische Vorgehensweise ist es möglich, eine vollständige anwendungsspezifische Charakterisierung und Optimierung der neu entwickelten Elektrodeneigenschaften durchzuführen und somit auch ein angepasstes Design elektrochemischer Zellen zu realisieren.
Vorteile
Die Fertigung und Überprüfung neuer Elektroden ist in kleinen Stückzahlen im Labormaßstab möglich. Da es sich um flächige Bauteile handelt, ist eine Skalierung auf technisch nutzbare Dimensionen anhand der Laborergebnisse gegeben. Es können somit aus einem geringen Materialeinsatz zuverlässig alle relevanten Parameter für die technische Nutzung und Fertigung von Elektroden sowie der Entwicklung elektrochemischer Zellen ermittelt werden.
Leistungsparamter
- Materialien für Elektroden: Kohlenstoff, Silber, Platin, Nickel, Mangandioxid, Molybdänsulfid
- Elektrodenfläche bis 100 cm²
Weitere Anwendungsmöglichkeiten
- Elektrolysetechnologien: Chlor-Alkali-Elektrolyse, Chlor-Wasserstoff-Elektrolyse, Alkalische Wasser-Elektrolyse, Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse
- Batterietechnologien: Redox-Flow-Batterien, Metall-Luft-Batterien wie beispielsweise hochstromfähige Zink-Luft-Batterien
- Elektrochemische Wasserbehandlung: Biobrennstoffzelle für Abwasserreinigung, Wasserstoffperoxid-Erzeugung
- Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
- Synthese organischer Verbindungen
- Sensoren: Beispielsweise zur Messung von Konzentrationen
Entwicklungsstand
Anwendungsspezifische Entwicklung und Charakterisierung neuer Elektroden und elektrochemischer Zellen im Labormaßstab
Forschungseinrichtung
TU Clausthal
Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik
