Elektrolyse als Schlüsseltechnologie
Die Elektrolyse ist der Eckpfeiler der nachhaltigen Power-to-X-Technologie. Dabei wird erneuerbarer Strom in grünen Wasserstoff, synthetische Kraftstoffe und Chemikalien umgewandelt. Mit unserer Arbeit treiben wir die Entwicklung der Hoch- und Niedertemperatur-Elektrolyse voran, um eine effiziente, skalierbare und langlebige Energieumwandlung im Rahmen der Energiewende zu ermöglichen. Im Niedertemperaturbereich entwickeln wir die CO₂-Elektrolyse bei niedrigen Temperaturen weiter und skalieren sie auf größere Zellflächen. Zu diesem Zweck werden verschiedene Prüfstände aufgebaut, um Tests mit unterschiedlichen Zellgrößen durchzuführen und statistisch relevante Daten zu generieren. Dabei werden die Anforderungen an die Datenerfassung für maschinelles Lernen und die Modellparametrisierung berücksichtigt. Parallele Langzeittests der Zellen sind geplant. Das Ziel ist eine hochintegrierte, CCM- oder MEA-basierte CO₂-zu-CO-Elektrolysezelle mit optimierter Geometrie und Materialien. Dies soll durch modellgesteuertes Design, präzise Komponentenintegration und strukturierte Prozessentwicklung erreicht werden, um hohe Effizienz, Stabilität und Skalierbarkeit zu erzielen. Dabei wird eine enge Kopplung zwischen Zelldesign, Fertigung und experimenteller Validierung angestrebt. Gasdiffusionselektroden werden ebenfalls weiterentwickelt. Darüber hinaus wird die CO₂-Elektroreduktion zu Ameisensäure weiterentwickelt und skaliert. Die dritte im Fokus stehende Technologie ist die gekoppelte Synthese von Chlor aus Chlorid und CO aus CO₂ mittels Niedertemperatur-Ko-Elektrolyse. Die Forschungsaktivitäten auf dem Hochtemperaturpfad konzentrieren sich auf die Technologie der brennstoffelektrodengestützten Festoxid-Zelle (SOC), die als Elektrolyseur, Brennstoffzelle und als Kombination aus beidem im reversiblen Betrieb eingesetzt werden kann. Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen sowohl die Dampf- als auch die Ko-Elektrolyse. Aufbauend auf der bestehenden SOC-Technologie werden im Projekt PHOENIX zuverlässige und effiziente bifunktionelle Zellen und Stacks hinsichtlich Leistung und Stabilität getestet und weiterentwickelt. Auf Basis eines innovativen Substrat-Ansatzes werden neue Zellen entwickelt, die eine höhere mechanische und thermische Festigkeit versprechen. Parallel dazu werden Methoden entwickelt, um die für SOC-Anwendungen entscheidenden Eigenschaften der Interkonnektor-Materialien durch Vorbehandlung von Stackkomponenten aus herkömmlichen ferritischen Stählen deutlich zu verbessern. Die neu entwickelten Zellen mit verbesserten Substraten werden zunächst unter mechanischen und thermischen Gesichtspunkten auf ihre Zuverlässigkeit geprüft, bevor mit der elektrochemischen Charakterisierung begonnen wird. Letztere dient zudem dazu, Informationen für den Betrieb unter verschiedenen Bedingungen in Power-to-X-Wertschöpfungsketten zu liefern. Bei der elektrochemischen Stackcharakterisierung liegt der Fokus auf der Leistungs- und Stabilitätscharakterisierung der neu entwickelten Stacktechnologie unter Verwendung fortschrittlicher Online-Diagnoseverfahren. Die Ergebnisse der Zell- und Stacktests werden mit CFD- und FEM-Modellierungen kombiniert, um eine neue, Leichtbaustack-Technologie für die Hochtemperatur-Elektrolyse zu entwickeln. Das Design zielt auf eine Stackkonstruktion mit niedrigen Herstellungskosten ab. Dabei kommen kostengünstigere Stähle und dünne Bleche zum Einsatz. Dies ebnet den Weg für die Industrialisierung und den Transfer der im Rahmen von PHOENIX neu entwickelten Stacktechnologie.
