Neue Oberflächenstrukturen und Beschichtungen für effizientere Elektrolyse-Elektroden – neues IGF-Projekt FLASH gestartet

Das neue IGF-Verbundvorhaben FLASH – „Fluiddynamisch aktivierte und skalierbar herstellbare Elektroden für die hocheffiziente Wasserstoffproduktion“ – ist gestartet. Es wird in zwei Teilvorhaben in einem interdisziplinären Projektkonsortium bearbeitet und ist Teil des Förderrahmens „Leittechnologien für die Energiewende“.

Ziel des Projekts ist es, Nickel-Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse so weiterzuentwickeln, dass Gasblasen schneller abgeführt, der Stofftransport verbessert und dadurch energiebedingte Verluste reduziert werden. Gleichzeitig wird eine skalierbare und wirtschaftliche Herstellung angestrebt, sodass die Ergebnisse gut in industrielle Prozessketten übertragbar sind – insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in der Umform-, Metall- sowie Oberflächen- und Beschichtungstechnik.

Die alkalische Wasserelektrolyse ist eine wichtige Technologie, um grünen Wasserstoff bereitzustellen. Ein zentraler Effizienzhebel liegt dabei direkt an der Elektrode: Gasblasen, die sich während des Betriebs bilden, können die wirksame Oberfläche teilweise abschirmen, Strömung und Stofftransport behindern und so zusätzliche Verluste verursachen. FLASH setzt genau hier an – mit einem multiskaligen Elektrodenkonzept.

FLASH kombiniert drei Ebenen, die zusammenwirken sollen:
– fluiddynamisch wirksame Makrostrukturen, um Strömung und Blasenabtransport zu unterstützen
– mesoskalige Oberflächenstrukturen, die Blasenbildung und -ablösung beeinflussen können
– katalytisch aktive Beschichtungen, um die elektrochemische Aktivität gezielt zu erhöhen.

So adressiert das Vorhaben eine zentrale Herausforderung der alkalischen Elektrolyse: Je weniger Blasen die Oberfläche „blockieren“ und je besser Reaktionsstoffe nachtransportiert werden, desto effizienter kann die Zelle arbeiten.

Teilvorhaben I befasst sich damit, wie die Elektrode auf makroskopischer Ebene geformt ist und wie sie sich umformtechnisch herstellen lässt. Dazu werden zunächst in numerischen Simulationen Geometrien entwickelt, die Gasblasen gezielt ableiten, und darauf geprüft, wie sie sich strömungsdynamisch verhalten. Anschließend wird untersucht, ob sich diese Geometrien in einem Folgeverbundprozess umformtechnisch herstellen lassen. Dafür wird zunächst das verwendete Nickelblech charakterisiert; auf dieser Basis wird der Umformprozess simulativ ausgelegt und optimiert. Darauf aufbauend wird das Folgeverbundwerkzeug konstruiert, gefertigt und in Betrieb genommen. Im Teilvorhaben II wird untersucht, wie sich Elektrodenoberflächen gezielt einstellen lassen, um Blasenbildung, -wachstum und -ablösung sowie die elektrochemische Aktivität positiv zu beeinflussen. Dafür kommen umformende Walz- und Prägeverfahren sowie galvanische Beschichtungen zum Einsatz.

Die entwickelten Ansätze werden systematisch charakterisiert und anschließend vom Labor- bis zum Vollzellmaßstab erprobt. Ziel ist es, Leistungsgewinne und Stabilität messbar und nachvollziehbar zu belegen.

Teilvorhaben I und II sind dabei eng verzahnt: Erkenntnisse aus der Oberflächen- und Beschichtungsentwicklung fließen iterativ in das Gesamtkonzept aus Geometrie, Struktur und Prozesskette zurück – mit Blick auf die Übertragbarkeit in industrielle Fertigungsprozesse.
Die Projektpartner

Die Durchführung des Projekts liegt beim Institut für Produktionstechnik und Umformmaschinen (PtU) und dem Fachgebiet Verfahrenstechnik elektrochemischer Systeme (VES) an der TU Darmstadt (Teilvorhaben I), sowie beim Institut für Bildsame Formgebung (IBF) der RWTH Aachen und dem Institut für Chemische und Elektrochemische Verfahrenstechnik (ICVT) der TU Clausthal (Teilvorhaben II). Das Gesamtvorhaben wird von den Forschungsvereinigungen Europäische Forschungsgesellschaft für Blechverarbeitung e.V. (EFB) und der DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. begleitet, wobei die Gesamtkoordination bei der EFB liegt.

Über das Forschungsprogramm
FLASH ist Teil des Förderrahmens „Leittechnologien für die Energiewende“ im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) im 8. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung und zahlt auf die Ziele der Mission Wasserstoff 2030 ein. Das Gesamtvorhaben wird mit rund 1,5 Millionen Euro über 30 Monate Laufzeit durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert. Im Fokus steht die Entwicklung leistungsfähiger und zugleich hochproduktiv herstellbarer Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse – als zentrale Funktions- und Kostenkomponente von Elektrolyseuren.

Über die DECHEMA
Die DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. führt Fachleute unterschiedlicher Disziplinen, Institutionen und Generationen zusammen, um den wissenschaftlichen Austausch in chemischer Technik, Verfahrenstechnik und Biotechnologie zu fördern. Die DECHEMA sucht nach neuen technologischen Trends, bewertet diese und begleitet die Umsetzung von Forschungsergebnissen in technische Anwendungen. Rund 5.000 Ingenieure, Naturwissenschaftler, Studierende, Firmen und Institutionen gehören dem gemeinnützigen Verein an. Gemeinsam mit der DECHEMA Ausstellungs-GmbH ist er Veranstalter der ACHEMA. Mehr unter http://www.dechema.de