// BW-Elektrolyse 04/2020-04/2023

Als Elektrodenpackage (ELP) bezeichnet man die Einheit aus Anode, Bipolarplatte und Kathode. Die Kontaktierung der drei Bleche kann lose (z.B. über Metallnetze) oder formschlüssig (z.B. durch Verschweißen) erfolgen. Elektrodenpackage und Membran werden bei der Stackmontage abwechselnd aufeinandergestapelt und dichten die Halbzellräume gasdicht gegeneinander ab. Dabei werden hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen des ELPs gestellt, damit die Abdichtung gegen den Zellrahmen zuverlässig erfolgt und die Membran nicht lokal belastet und ggf. beschädigt wird. Mit Blick auf die Serientauglichkeit des ELP-Design spielt die Abfolge der ELP-Fertigungsschritte einschließlich der Beschichtung der Elektroden eine entscheidende Rolle.

Am ZSW wurde ein ELP-Design entwickelt, das kostengünstig aus Baustahl (DC01) umgesetzt und mittels integrierter Stromübertrager formschlüssig verbunden wurde. Hierfür wurden Näpfe als Stromübertrager aus der Elektrodenfläche ausgestellt und mit der Bipolarplatte verschweißt. Während als Anode vernickelter Stahl verwendet wurde, wurde die Kathodenseite des fertigen ELPs abschließend beschichtet. Im Projekt erfolgte dies mit einer Nickel-Aluminium-Molybdän-Schicht (NiAlMo), die mit dem Atmosphärischen Plasmasprayverfahren bei einem Industriepartner (Sybabo) aufgebracht wurde.

Alkalische Elektrolyseure (AEL) werden heutzutage noch bei vergleichsweise kleiner spezifischer Elektrolyseleistung betrieben, die von der Stromdichte des Elektrolyse­stacks limitiert wird. Typische Nennstromdichten liegen mit 400 – 600 mA/cm² deutlich unterhalb von denen der sauren Elektrolyse (PEM). Somit wird für dieselbe Produktmenge an Wasserstoff mehr Elektrodenfläche benötigt, was sich in größeren Elektrolyseblöcken bzw. einer höheren Anzahl an Elektrolyseanlagen widerspiegelt.

Daher lag das Hauptaugenmerk am DLR in Stuttgart auf der Entwicklung hocheffizienter Elektrodenbeschichtungen, um die Überspannung von Anode und Kathode zu minimieren und somit höhere Stromdichten beim AEL-Betrieb zu ermöglichen. Mit Blick auf die Ressourcenknappheit kamen hierbei keine Edelmetalle zum Einsatz, sondern Raney-Nickel, das im Fall der Kathode zusätzlich mit Molybdän als katalytisch aktive Komponente dotiert wurde. Für industrielle Anwendungen ist es essentiell, dass sich diese katalytisch aktiven Schichten durch eine hohe Langzeitstabilität auszeichnen. Erst dann können Elektrolyseeffizienz und Wirtschaftlichkeit für die großtechnische Wasserstoffproduktion nachhaltig verbessert werden.

Für die Beschichtung wandte das DLR das atmosphärische Plasmasprayverfahren (APS) an, das hinsichtlich Serienfertigung Zeit- und Kostenvorteile gegenüber dem Vakuumverfahren (VPS) aufweist. Ein Aspekt bei der Optimierung der Beschichtungsparameter lag auf der Reduzierung thermischer und mechanischer Spannungen, die zum Verzug der Elektrode führen können. Vor der Beschichtung wurden die Nickel-Lochbleche sandgestrahlt, um die Oberfläche zu aktivieren und die Schichthaftung zu verbessern. Bei der APS-Beschichtung wird das Pulver der gewünschten Metalllegierung allgemein in den Plasmastrahl eingedüst, sodass die Metallpartikel aufschmelzen, mit hoher Geschwindigkeit auf das Elektrodensubstrat aufprellen und dort zu einer Elektrodenbeschichtung verfestigen. Für die Erzeugung von Raney-Nickel wird die Elektrode üblicherweise in KOH bei Temperaturen von 80°C aktiviert, wobei Aluminium aus der Schicht ausgelaugt wird und die gewünschte hochporöse Nickel-Schicht entsteht. Die nun einsatzbereiten Elektroden wurden sowohl in der Becherglasmesszelle umfangreich elektrochemisch untersucht als auch im AEL-Stack am DLR sowie am ZSW im Dauerbetrieb erprobt. Dabei zeigte sich eine signifikante Verbesserung der Zellspannung. Die Veröffentlichung der Ergebnisse in einem Peer-Review-Paper wird derzeit vorbereitet.

Elektrolysestacks werden derzeit noch als „Black-Box“ betrieben. Das heißt, der Zustand der ein- und ausströmenden Medien des Elektrolysestacks ist zwar bekannt, aber nicht die Betriebsgrößen innerhalb des Stacks oder innerhalb der einzelnen Stackzellen. So bleiben lokale Störungen unentdeckt, bis sie sich zu einem Problem entwickelt haben, das meist zu einem Schaden führt. Daher ist es wichtig, entscheidende Messgrößen wie Temperatur und Zellspannung kontinuierlich zu erfassen. Damit kann der Elektrolysebetrieb überwacht und bei Bedarf angepasst sowie Wartungs- und Reparaturarbeiten genau geplant werden. 

Allerdings müssen bei der Umsetzung der stackintegrierten Sensorik einige Hürden genommen werden. Die Belastung auf die verwendeten Materialien innerhalb der Zelle ist höchst anspruchsvoll. So können Temperaturen bis 100°C und Drücke bis 30 bar erreicht werden, während eine turbulente Zweiphasenströmung aus Kalilauge (Elektrolyt) und Sauerstoff bzw. Wasserstoff auf das Material wirkt. Außerdem muss die Datenleitung aus der Zelle durch den Zellrahmen herausgeführt werden, was einen hohen Anspruch an die Stackmontage, die Dichtheit sowie die Robustheit stellt. Außen am Stack ist die Messdatenerfassung angebracht, die ebenfalls Ex-geschützt ausgeführt werden muss.

Am Hahn-Schickard-Institut (HS) in Stuttgart wurden ultradünne Folienschaltungs­träger entwickelt, die Sensoren in Dünnschichttechnik oder als SMD-Komponenten aufweisen. Diese wurden auf der Bipolarplatte (Fläche 100cm²) aufgebracht und zum Schutz vor Kalilauge mit einem Verguss verkapselt. Die Spannungs- und Temperatursignale wurden zu einer potentialgetrennten Elektronik geführt, den sogenannten CellNodes, die parallel zu den Elektrolysezellen gestapelt wurden. Final bildete eine BlockHost-Elektronik die Brücke zwischen den gestapelten CellNodes und einem Computer zur Messdatenauswertung. Das Gesamtsystem funktioniert in Wasser sehr gut. Unter AEL-Bedingungen erwies sich der Verguss nicht als ausreichend KOH-beständig, sodass bei der zukünftigen Entwicklung im Rahmen des Anschlussprojektes ElySmartStack ein neues Materialkonzept eingesetzt werden soll.