Konzepte und Herausforderungen bei der Herstellung strukturierter Elektroden
Bei der Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energieträger und umgekehrt werden Elektroden mit hohem Wirkungsgrad benötigt. Während der verschiedenen Produktionsschritte wird die Elektrodenstruktur geformt und durch wechselnde Prozessparameter beeinflusst.
Welche chemischen Prozesse innerhalb der MEA einer PEM-Wasserelektrolysezelle stattfinden, ist unten dargestellt.
Die wesentlichen physikalischen und chemischen Prozesse sind:
- Diffusion von Wasser zur Katalysatorschicht
- Elektrochemische Reaktion am Katalysator
- Sauerstofftransport von der Elektrode zum Strömungsverteiler
- Protonentransport durch die Katalysatorschicht und Membran zur Kathode
- Elektronentransport durch die Diffusionsschicht und den Katalysator
- Die Menge an nicht verbundenen Katalysator- und Elektrolytphasen sollte gering sein
Eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Elektrodenstruktur besteht in der Nutzung der intermolekularen Kräfte zwischen Katalysator und Polymerpartikeln durch Variation der Prozessparameter und Additive bei der Dispersionsherstellung. Folgende Untersuchungen sind notwendig:
- Zusammenhang zwischen Produktionsparametern, Additiven und der Dispersionsstruktur
- Verständnis der strukturbildenden Prozesse beim Dispergieren, Beschichten und Trocknen
- Zusammenhang zwischen Elektrodenstruktur und Elektrodeneffizienz
- Regeln für das Scale-up von Laborprozessen in den Pilotanlagenmaßstab
Herausforderungen und Ziele für den sicheren Betrieb von PEM Elektrolyseuren
Für eine großtechnische Herstellung vom PEM Elektrolyseuren müssen die Verfahren für die Komponentenfertigung skalierbar und günstig sein.
Um hohe Stackwirkungsgrade bei niedrigen Spannungen und hohen Stromdichten zu erreichen, ist eine Verringerung der Membrandicke erforderlich, um so die Membranwiderstände zu reduzieren. Mit abnehmender Membrandicke nimmt jedoch auch der Gasaustausch zu. Der an der Kathode erzeugte Wasserstoff permeiert durch die Membran zur Anode und kann dort ein explosives Sauerstoff/Wasserstoff Gemisch erzeugen.
Eine Anforderung hierbei ist es, Wege zu finden, die MEAs mit Fertigungsmethoden zu entwickeln, die skalierbar sind also mit möglichst industrienahen Prozessen hergestellt werden können.