Projekt E²NGEL: Edelmetallfreie Elektroden als Schlüssel für die Skalierung der alkalischen Elektrolyse

Bedeutung edelmetallfreier Elektroden

Die alkalische Elektrolyse ist eine seit Jahrzehnten etablierte und robuste Technologie zur Wasserstofferzeugung. Für den industriellen Hochlauf rücken jedoch zunehmend Kosten, Materialverfügbarkeit und Versorgungssicherheit in den Fokus. Edelmetalle stellen hierbei einen limitierenden Faktor dar: Sie sind kostenintensiv, unterliegen hoher Preisvolatilität und gelten als kritische Rohstoffe.

Der Verzicht auf Edelmetalle ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Elektrodenkosten und mindert zugleich die mit diesen Materialien verbundenen Risiken. Bei der Skalierung von Elektroden und der großserienfähigen Produktion gewinnen die Kosten und die Verfügbarkeit der eingesetzten Basismetalle entscheidend an Bedeutung – sowohl für den Stack als auch für den gesamten Elektrolyseur.

Technische Herausforderungen und Lösungsansatz im Projekt E²NGEL

Bisherige Ansätze für edelmetallfreie Elektroden konnten hinsichtlich Effizienz, Zellspannung und erreichbarer Stromdichten nicht mit edelmetallbasierten Systemen konkurrieren oder zeigten Defizite in der Lebensdauer. Zwar wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Beschichtungsverfahren untersucht, doch erst im Rahmen von E²NGEL gelang es, ein insgesamt optimiertes Elektrodenkonzept zu entwickeln.

Ausschlaggebend war dabei die gezielte Kombination aus optimierten Ausgangsmaterialien, einem weiterentwickelten Beschichtungsverfahren und einer angepassten Nachbehandlung der Elektroden. Die Elektrodentechnologie wurde über viele Jahre beim DLR entwickelt und verfeinert und konnte nun in den industriellen Maßstab umgesetzt werden. Die Details dieser industriellen Entwicklung liegen bei den Projektpartnern; weiterführende fachliche Einblicke wurden unter anderem von Dr. Karsten Lange (Rheinmetall) im August im Rahmen der „Forschungsnetzwerke Energie“ vorgestellt.

Leistung und Langzeitstabilität

Die im Projekt entwickelten Elektroden zeigen hinsichtlich Leistung und Überspannung Ergebnisse, die mit veröffentlichten edelmetallbasierten Systemen vergleichbar sind. Zwar sind Literaturdaten aufgrund unterschiedlicher Zellaufbauten und Komponenten nur eingeschränkt vergleichbar, die Gesamtleistungsfähigkeit der E²NGEL-Elektroden ist jedoch klar konkurrenzfähig.

Auch die Langzeitstabilität entspricht den Erwartungen: Die beobachteten Degradationsraten liegen im Bereich derer von in Veröffentlichungen beschriebenen Edelmetallsystemen.

Testzeiträume und Betriebserfahrungen

Am DLR wurden einzelne Elektroden über mehr als 1.000 Betriebsstunden elektrochemisch untersucht. Ergänzend dazu liegen Ergebnisse aus dem Stackbetrieb vor: Bei McPhy wurden Kennlinien nach rund 50 Betriebstagen, entsprechend etwa 1.200 Betriebsstunden, präsentiert. Diese Resultate wurden unter anderem auf dem 8th Industry Workshop Advanced Alkaline Electrolysis des IFAM Dresden vorgestellt.

Beiträge der Projektbeteiligten

Das Projekt E²NGEL basiert auf einer engen und bewährten Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie entlang der gesamten Wertschöpfungskette der alkalischen Elektrolyse.

Unser Institut war verantwortlich für die wissenschaftliche Begleitung und die strukturelle und elektrochemische Bewertung der edelmetallfreien Elektroden. Dies umfasste die Auslegung geeigneter Testmethoden, die experimentelle Charakterisierung unter praxisnahen Bedingungen sowie die Analyse von Leistungskennlinien, Überspannungen und Degradationsverhalten mit besonderem Fokus auf die Langzeitstabilität. Zusätzlich wurden auch die Elektrodenbeschichtungsverfahren des DLR weiterentwickelt und die leistungsfähigsten Wasserstoffelektroden des Projekts entstanden beim DLR.

Rheinmetall übernahm die Materialentwicklung und industrielle Herstellung der Elektroden. Hier wurden sowohl die Ausgangsmaterialien als auch das Beschichtungs- und Nachbehandlungsverfahren gezielt weiterentwickelt, um erstmals edelmetallfreie Elektroden mit industriell relevanter Leistungsfähigkeit zu realisieren.

Die Integration in alkalische Elektrolyse-Stacks und der Betrieb unter realistischen Bedingungen erfolgten bei McPhy. Die dort durchgeführten Tests liefern wichtige Erkenntnisse zur Übertragbarkeit der Laborergebnisse auf den großskaligen Betrieb und zur Eignung der Elektroden für dynamische Betriebsweisen. Die Arbeiten bei McPhy Deutschland wurden von Dr. Matthias Neben geleitet und diese Aktivitäten sind inzwischen in John Cockerill Hydrogen aufgegangen.

Ausblick