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Green H2: Wasserstoffelektrolyse 3.3.2017

Konzept zum Aufbau der Prototypanlage
© Fraunhofer HHI FS-M

Günstigen und lastflexiblen Wasserstoff herstellen

Neuartige Elektroden verbessern die Elektrolyse von Wasserstoff für einen breiten Leistungsbereich. Durch ihre lasererzeugten Oberflächenstrukturen arbeiten sie bei unterschiedlichen Lasten langlebig und mit geringeren Verlusten. Damit eignen sich die Elektroden besonders gut, um das schwankende Angebot überschüssigen Windstroms zu nutzen. Hochskaliert lassen sich die strukturierten Elektroden auch in der Industrie einsetzen.

Projektstatus
Projektlaufzeit Juni 2015 bis Mai 2018

Wegen der hohen Fluktuation der erneuerbaren Energietechnologien ist es nötig, lastflexible Energiewandlungsmaschinen zu entwickeln. Die Speicherung von Strom aus einer Überproduktion stellt für den zukünftigen Energiemarkt eine der wesentlichen Herausforderungen dar – die Umwandlung in Wasserstoff als Energieträger ist daher eine gute Alternative.

Mit Hilfe der neuartigen Elektrodenmaterialien soll eine wesentliche Verbesserung des Lastverhaltens sowie der Lebensdauer der Elektroden erreicht werden. Hierzu werden die Oberflächen mit ultrakurzen Laserpulsen beschossen. Dabei bildet sich eine regelmäßige Kegelstruktur im Mikrometerbereich aus, welche die spezifische Oberfläche erhöht und die chemischen Eigenschaften verbessert.

Zu Beginn des Projekts im ersten Jahr entwickelten Forscher mit Hilfe der existierenden Laseranlage die Elektroden, um die aussichtsreichsten Strukturen zu finden und zu testen. Parallel hierzu skalierten sie den Laserprozess auf, um die Prozessierung der gewünschten Flächen zu beschleunigen. Im zweiten Jahr wurde die Entwicklung der Elektroden abgeschlossen und der Aufbau der Hochleistungslaseranlage vorangetrieben. Dabei wurden erste Tests und die Überführung der Strukturen auf die neuen Laserparameter durchgeführt. Nun stehen die Integration der Elektroden in einen sogenannten Short Stack inklusive Testbetrieb sowie die weitere Verbesserung des Prozesses im Vordergrund. Über die gesamte Laufzeit charakterisieren die Forscher die Strukturen und verfolgen die wirtschaftlich-technische Aspekte und bewerten diese.

  • REM-Aufnahme der strukturierten Nickeloberfläche © Fraunhofer HHI FS-M
  • Finaler Aufbau der Prozesskammer © Fraunhofer HHI FS-M
  • Beschleunigter Stresstest der Elektroden, Überlastverhalten © Fraunhofer IFAM Dresden
  • Laserstrukturierte Oberflächen mit Ti:Sa-Laborlaser (links VErkauchsaufbau, rechts Schema) © Fraunhofer HHI FS-M
  • Messaufbau zur Elektrodencharakterisierung © Fraunhofer IFAM Dresden

Aktuelle Arbeiten

Die neuartige Elektrodenstruktur zeichnet sich durch hohe Lastflexibilität und geringere Verluste aus. Damit wird die Anwendung der Elektrolyse zur Energiespeicherung in Form von Wasserstoff deutlich attraktiver. Um diese Technologie im industriellen Kontext nutzbar zu machen, wollen die Forscher die Fläche der strukturierten Elektroden vom Labormaßstab auf eine geeignete Größe für industrielle Anlagen hochskalieren. Dies ist neben der Entwicklung geeigneter Strukturen die zentrale Aufgabe des Projekts. Zur erfolgreichen Durchführung sind daher verschiedene Firmen und Forschungsinstitute als Projektpartner beteiligt: Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut HHI, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Firma AMPHOS, das Metallveredelungsunternehmen  MTV , die Firma ELB, die Firma Miopas sowie die Firma Protronik.

Forschungsfokus

Das Projekt GreenH2 ist ein interdisziplinäres Forschungsvorhaben; es verbindet angewandte Photonik mit der Elektrolyse und der industriellen Prozesssteuerung. Die Entwicklungen zur Oberflächenfunktionalisierung mittels Ultrakurzpuls-Laser ist eine relativ neue Technologie welche über weite Teile ein genaues Einstellen der gewünschten Parameter bzw. Eigenschaften der Oberfläche erlaubt. Damit kann eine hohe Präzision und Reproduzierbarkeit für den Prozess garantiert werden. Im Gegensatz dazu existiert die alkalische Elektrolyse von Wasserstoff schon sehr viel länger und wurde in den vergangenen Jahrzehnten von der Forschung selten weiter vorangetrieben. Durch die Verbesserung der Elektroden durch das Aufbringen der Strukturen lässt sich vermuten, dass das Einsatzgebiet der alkalischen Elektrolyse deutlich vergrößert wird und sich gut in das System der modernen Energiespeicher integriert.

Teilvorhaben

  • Fraunhofer HHI:
    Prozessierung der Laborserie von Elektroden mit Ti-Sa-Femtosekundenlaser zur Laser-Parameterbestimmung, Übertragung und Verifizierung der Parameter und Ergebnisse des Ti:Sa-Lasersystems auf das AMPHOS-Hochleistungslasersystem im Labormaßstab, Aufbau und Integration des Laserscanners, Untersuchungen zur Auslegung sowie Bau der Prozesskammer, Inbetriebnahme des Gesamtsystems, Optimierung Gesamtsystem (Prozessstablität, Homogenität der Mikrostrukturierung, Schreibgeschwindigkeit), Kleinserienproduktion optimierter mikrostrukturierter Elektroden mit Abmaßen 0,25 m2
  • Fraunhofer IFAM:
    Allgemeine Charakterisierung der strukturierten Elektroden (Morphologie, Oberflächenbestimmung, Rauhigkeitsbestimmung, Zusammensetzung der Oberfläche), Elektrochemische Charakterisierung (Bestimmung der Überspannung, Bestimmung der elektrochemisch aktiven Oberfläche, Ermittlung Tafel-Parameter), Einbau der Testelektroden (Laborserie) in spezielle Testzellen zur Testung der Materialien unter realen Bedingungen (Vergleich mit kommerziellen Elektroden, Ermittlung entsprechender Kennzahlen), Degradationstest (Betrieb der Testelektroden unter Überlastbedingungen), Test der hergestellten Elektrodenstrukturen (Kleinserie) unter Normalbedingungen und Überlastverhalten
  • AMPHOS GmbH:
    Übertragung und Verifizierung der Parameter und Ergebnisse des Ti:Sa-Lasersystems auf das AMPHOS-Hochleistungslasersystem, Inbetriebnahme des Gesamtsystems, Optimierung des Gesamtsystems (Prozessstablität, Homogenität der Mikrostrukturierung, Schreibgeschwindigkeit)
  • MIOPAS GmbH:
    Identifizierung der notwendigen Prozessgase bei der Elektrodenstrukturierung, Abtrennungskonzept für die beim Strukturierungsprozess anfallenden Produkte des Laserablationsprozesses, Untersuchungen zur Auslegung und sowie Bau der Prozesskammer, Inbetriebnahme des Gesamtsystems
  • Protonic Innovative Steuerungselektronik GmbH:
    Formulierung des Integrationskonzepts, Festlegung der benötigten Schnittstellen zur Laserprozessüberwachung, Erarbeitung Lasersicherheitskonzept, Untersuchung zur Auslegung und Bau der Prozesskammer, Festlegung und Implementierung der Schnittstellen der Prozesskammer zur Gesamtsteuerungs- und überwachungseinheit, Inbetriebnahme des Gesamtsystems
  • MTV Metallveredlung GmbH & Co. KG:
    Erzeugung verschiedener Metall- bzw. Katalysatorlegierungen als Beschichtung auf Testsubstraten (Laborserie), Vergleich der Beschichtungskonzepte, Kleinserienprozessierung optimierter mikrostrukturierter Elektroden (Beschichtung)
  • ELB Elektrolysetechnik GmbH:
    Aufbau eines Kleinelektrolyseurs für Kleinserie mit entsprechender Peripherie, Langzeitversuch zur Extrapolation auf einen 10-jährigen Dauerbetrieb
Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

5. Juli 2017
Thermische Energiespeicher

11. Juli 2017
Intersolar North America

22. August 2017
Intersolar South America

» Alle Termine

Infobox

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.