Projekt

Ziel des Projektes ist die Entwicklung von edelmetallfreien oder signifikant edelmetallreduzierten Katalysatoren für ein effizienz&shyoptimiertes, photo-elektrochemisches Modul zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von Sonnenlicht als Energieträger. Hierbei soll ein Systemwirkungsgrad von Sonnenlicht zu Wasserstoff von mindestens 10 % erreicht werden. Im Rahmen des Vorhabens wird ein ganzheitlicher Lösungsansatz entwickelt, der sowohl die Wasserreduktion als auch die Wasseroxidation mit Hilfe edelmetallfreier Katalysatoren in einem Modul vereint. Das Modul besteht aus verschiedenen funktionalen Schichten, die aufeinander abzustimmen sind. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten liegt hierbei auf der Entwicklung von edelmetallarmen, möglichst edelmetallfreien Katalysatoren und deren Integration in ein effizientes Gesamtsystem mit getrennten Elektrodenräumen, das die separate Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht.

Daraus leiten sich die folgenden wissenschaftlich-technischen Teilziele ab:

- Entwicklung edelmetallfreier Katalysatoren zur Wasserspaltung

- Optimierung einer Mehrschicht-Photodiode für die Wasserstofferzeugung

- Herstellung und Optimierung eines Moduls zur Wasserstofferzeugung

- Ökonomische und ökologische Betrachtung der Energie- und Umweltbilanz (Life-Cycle-Analyse)

Ergebnisse:

- Bei dem Testen verschiedener Katalysatormaterialien als Beschichtung auf Elektroden zeigten sich Unverträglichkeiten im sauren pH-Bereich. Deshalb wurde das System mit alkalischen Elektrolyten sowie Anionenaustauscher-Membranen (AEM-Elektrolyse) ausgelegt.

- Für die Versuche im eigens designten Demonstrator-Modul wurde als Elektrodensubstrat mit Aktivmaterial beschichteter Nickelschaum verwendet.

- Der Betriebspunkt des Moduls wurde aus separaten Messungen von der Solarzelle (Stromerzeugung) und der Elektrolysezelle (Stromverbrauch) ermittelt, indem die einzelnen Kennlinien übereinandergelegt wurden. Daraus ergibt sich, dass die Elektrolyse fast 100 % des zur Verfügung gestellten Stroms nutzen kann und die Solarzelle das limitierende Bauteil ist.

- Die experimentell bestimmte Stromdichte der allein durch die Solarzelle betriebenen Elektrolyse im finalen PEC-System, unabhängig der betrachteten Temperaturen, betrug 6,6 mA/cm˛ und entsprach damit den zuvor bestimmten Betriebspunkten der Einzelmessungen. Daraus ergibt sich für dieses System ein Systemwirkungsgrad (Sonnenlicht zu Wasserstoff) von 8,1 %.