Ziel der Entwicklung
Die nachhaltige Herstellung von Wasserstoff auf Basis der elektrochemischen Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sowie deren spätere Nutzung in der Brennstoffzelle erfolgt durch den Austausch von Elektronen an den Elektroden. Während die wasserstoffbezogenen Reaktionen eine schnelle Kinetik aufweisen, wird die Katalyse der elektrochemischen Sauerstoffreaktionen zum eigentlichen Engpass der Prozesse. Zu den Sauerstoffreaktionen zählen hierbei die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER – Oxygen Evolution Reaction) bei der Wasserelektrolyse sowie die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR – Oxygen Reduction Reaction) in der Brennstoffzelle. Daher konzentriert sich fast die gesamte Forschung und Entwicklung auf die Verbesserung der Kathodenkatalysatoren und -elektroden. Die Effizienz dieser Reaktionen wird primär durch die aktive Elektrodenoberfläche beeinflusst, sodass die Effizienz der Reaktionen durch eine Vergrößerung der elektrochemisch nutzbaren Elektrodenoberfläche erhöht werden kann. Trotz einer großen effektiven Oberfläche kann es durch die Ansammlung erzeugter Gasblasen an der Elektrode zu einer Blockierung der katalytisch aktiven Flächen kommen. Diese Gasblasen beginnen zuerst damit, an der Elektrodenoberfläche zu nukleieren (Freisetzen kleinster, feinstverteilter Gasbläschen), wachsen dann und koaleszieren (verbinden sich) mit anderen Gasblasen, bis sie sich letztendlich von der Elektrode ablösen. Besonders bei hohen Stromdichten beziehungsweise hoher katalytischer Aktivität kann die Gasblasen-Koaleszenz, also das Verbinden sich ablösender Gasblasen an der Elektrode, problematisch werden, sodass die Kontaktfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt unterbrochen und die Verluste somit dominant werden.
Ziel des Projektes war die Entwicklung eines reproduzierbaren und prozesssicheren Verfahrens zur bifunktionalen UKPL-Funktionalisierung von Elektrodenoberflächen für eine bessere Effizienz bei der Herstellung sowie Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie. Anhand spezieller Mikro- und Nanotopografien, welche anhand ultrakurzer Laserpulse auf relevanten Elektrodenmaterialien strukturiert werden sollten, galt es, die aktive Elektrodenoberfläche signifikant zu vergrößern. Dies sollte wiederum dazu führen, dass durch eine stark erhöhte Hydrophilie die Kontaktierung zwischen Elektrolyten und Elektrode deutlich verbessert wird, als auch dazu, dass durch eine erhöhte Gasophobie die Gasblasenabtrennung begünstigt wird, um Überspannungen zu verringern. Die erzeugten Nanostrukturen an der Oberfläche sollten zudem eine gute Degradationsresistenz aufweisen, um den elektrochemischen Belastungen langzeitstabil entgegenzutreten.
Vorteile und Lösungen
Das Projekt hydroLAS hatte das Ziel, die Effizienz der Wasserstoffproduktion und Brennstoffzellentechnologie durch eine innovative Oberflächenfunktionalisierung mittels Ultrakurzpuls-Lasertechnologie (UKPL) zu verbessern. Der zentrale Ansatz bestand darin, durch gezielte Mikro- und Nanostrukturierung von Elektroden- und Bipolarplattenoberflächen die elektrochemischen Eigenschaften entscheidend zu optimieren.
Ein wesentliches Problem herkömmlicher Elektroden in der Elektrolyse ist die begrenzte elektrochemisch aktive Oberfläche. Eine größere Reaktionsfläche bedeutet, dass mehr Elektronenübergänge stattfinden können, was die Effizienz der Wasserstofferzeugung steigert. Gleichzeitig können sich bei der Wasserelektrolyse Wasserstoffblasen auf den Elektroden ansammeln und dadurch die aktiven Reaktionszonen blockieren. Dies verringert die Leistungsfähigkeit und erhöht den Energieverbrauch. Das Projekt hydroLAS adressierte diese Herausforderungen durch die Entwicklung spezieller Mikrostrukturen, die mit Ultrakurzpulslasern auf Elektrodenoberflächen erzeugt wurden.
Durch diese Strukturierung konnte die elektrochemisch aktive Oberfläche der Elektroden um den Faktor 91 vergrößert werden. Dies führte zu einer deutlichen Leistungssteigerung, da mehr Fläche für elektrochemische Reaktionen zur Verfügung stand. Zudem wurden Mikrostrukturen entwickelt, die gezielt die Ablösung von Wasserstoffblasen verbessern. In herkömmlichen Elektrolysezellen neigen diese Blasen dazu, lange an der Elektrode haften zu bleiben, wodurch der Reaktionsprozess behindert wird. Die im Projekt erzeugten Mikrostrukturen förderten eine schnellere Koaleszenz, sodass sich die Blasen rascher vereinten und effizient von der Oberfläche lösten. Dies reduzierte Transportwiderstände erheblich und sorgte für eine insgesamt verbesserte Massentransportdynamik innerhalb des elektrochemischen Systems.
Ein weiteres bedeutendes Ergebnis war die Senkung des Onset-Potenzials für die Wasserstoffentwicklung. Das bedeutet, dass die elektrochemischen Reaktionen bereits bei einer niedrigeren Spannung einsetzen, wodurch weniger Energie für die Wasserstoffproduktion benötigt wird. Diese Verbesserung trägt direkt zur Senkung des Energieverbrauchs bei und erhöht die Wirtschaftlichkeit der Elektrolyseprozesse.
Neben der Optimierung der Elektroden für die Wasserstoffproduktion wurde auch das Potenzial der UKPL-Technologie zur Verbesserung von Brennstoffzellen untersucht. In einer Brennstoffzelle ist der Kontaktwiderstand zwischen den metallischen Bipolarplatten und der Gasdiffusionslage (GDL) ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit. Durch gezielte Strukturierung der Kontaktflächen konnte der Widerstand um bis zu 9 % gesenkt werden. Dies führt zu einer besseren Stromübertragung innerhalb der Brennstoffzelle und steigert deren Gesamtleistung.
Der Lösungsansatz des Projekts bestand aus mehreren Entwicklungsschritten. Zunächst wurden geeignete Elektrodenmaterialien analysiert und die vielversprechendsten Strukturtypen identifiziert. Anschließend wurden mit UKPL-Technologie verschiedene Mikrostrukturen erzeugt und deren Wirkung auf die elektrochemische Reaktion systematisch untersucht. Die leistungsfähigsten Strukturen wurden dann in realitätsnahen Leistungstests validiert. Ergänzend wurden die Prozesse hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit für industrielle Anwendungen bewertet, um sicherzustellen, dass die Technologie wirtschaftlich nutzbar ist.
Ein entscheidender Vorteil des entwickelten Verfahrens liegt in seiner industriellen Skalierbarkeit. Die verwendeten Lasertechnologien ermöglichen eine schnelle und präzise Strukturierung großer Flächen, ohne dass zusätzliche Beschichtungen oder chemische Modifikationen erforderlich sind. Dies macht die Technologie sowohl für die Herstellung leistungsfähiger Elektroden für Elektrolyseure als auch für die Optimierung von Brennstoffzellen interessant.
Zusammenfassend konnte das Projekt hydroLAS zeigen, dass durch gezielte Mikrostrukturierung mit UKPL-Technologie die Effizienz elektrochemischer Systeme erheblich gesteigert werden kann. Die Entwicklungen tragen dazu bei, die Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit nachhaltiger Wasserstofftechnologien zu verbessern und bieten großes Potenzial für zukünftige industrielle Anwendungen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Das Projekt hydroLAS richtet sich an eine breite Zielgruppe aus verschiedenen Industrien und wissenschaftlichen Einrichtungen, die an der Optimierung elektrochemischer Prozesse interessiert sind. Besonders profitieren Unternehmen und Institutionen, die im Bereich der Wasserstofftechnologie, Brennstoffzellentechnik und nachhaltigen Energieerzeugung tätig sind. Dazu zählen Hersteller von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen, Automobilunternehmen, die wasserstoffbetriebene Fahrzeuge entwickeln, sowie Unternehmen aus der chemischen Industrie und Energieversorger, die an der Effizienzsteigerung elektrochemischer Systeme interessiert sind.
Die Hauptzielmärkte umfassen sowohl nationale als auch internationale Regionen, in denen Wasserstofftechnologien eine wachsende Bedeutung für die Energiewende haben. Besonders relevant sind Länder mit ehrgeizigen Wasserstoffstrategien wie Deutschland, die Europäische Union, Kanada, die USA, Japan und Südkorea. Diese Regionen investieren verstärkt in den Ausbau der Wasserstoffinfrastruktur und suchen nach innovativen Lösungen zur Senkung der Produktionskosten und zur Verbesserung der Effizienz.
Anwender profitieren von den Entwicklungen des Projekts auf mehreren Ebenen. Hersteller von Elektrolyseuren können durch die verbesserte Oberflächenfunktionalisierung ihrer Elektroden die Effizienz der Wasserstoffproduktion steigern. Dies führt zu einem geringeren Energieverbrauch und niedrigeren Betriebskosten. Auch Brennstoffzellenhersteller profitieren durch die optimierte Kontaktierung der Bipolarplatten, die eine verbesserte Stromübertragung ermöglicht und die Leistung sowie Lebensdauer der Zellen erhöht. Unternehmen, die Wasserstoff als Energieträger nutzen, können durch die effizienteren Systeme wirtschaftlicher arbeiten und den Übergang zu nachhaltigen Energien schneller vorantreiben.
Der Transfer der Forschungsergebnisse in Anwenderunternehmen erfolgt auf mehreren Wegen. Einerseits werden die gewonnenen Erkenntnisse durch direkte Kooperationen mit Industriepartnern in die Praxis überführt. Unternehmen, die an einer Implementierung der Technologie interessiert sind, können über Lizenzierungen oder gemeinsame Entwicklungsprojekte darauf zugreifen. Andererseits erfolgt der Wissenstransfer auch über Schulungen und Seminare, insbesondere im Rahmen von Fachlehrgängen für Schweißtechnik und Lasertechnologie. So können Fachkräfte direkt mit den neuen Verfahren vertraut gemacht und in der Anwendung geschult werden.
Wirtschaftlich betrachtet ergeben sich für die Forschungseinrichtung mehrere positive Effekte. Zum einen stärkt das Projekt die eigene Kompetenz im Bereich der Laserstrukturierung und Oberflächenfunktionalisierung, wodurch sich weitere Forschungs- und Entwicklungsaufträge generieren lassen. Zum anderen entstehen potenzielle Einnahmequellen durch den Transfer der Technologie an Industrieunternehmen, sei es durch Beratungsleistungen, Lizenzvergaben oder gemeinsame Entwicklungsarbeiten. Darüber hinaus wird die wissenschaftliche Sichtbarkeit der Einrichtung durch Veröffentlichungen und Kooperationen mit internationalen Partnern erhöht, was den Zugang zu weiteren Förderprojekten erleichtert.
Es gibt bereits konkrete Anwendungsbeispiele für die entwickelten Verfahren. Erste Tests mit Industriepartnern haben gezeigt, dass die laserstrukturierte Funktionalisierung von Elektroden eine signifikante Verbesserung der Effizienz elektrochemischer Prozesse ermöglicht. In der Praxis bedeutet dies, dass Unternehmen aus der Wasserstoffwirtschaft ihre Produktionskosten senken und gleichzeitig ihre Anlagenleistung steigern können. Auch in der Brennstoffzellentechnologie gibt es erste erfolgreiche Anwendungen, bei denen optimierte Bipolarplatten durch eine gezielte Oberflächenstrukturierung den elektrischen Widerstand reduziert haben.
Insgesamt bietet das Projekt hydroLAS eine vielversprechende Grundlage für den technologischen Fortschritt in der Wasserstofftechnologie. Die Ergebnisse tragen dazu bei, die Wirtschaftlichkeit und Skalierbarkeit nachhaltiger Energiesysteme zu verbessern, was sowohl für Industrieunternehmen als auch für Forschungseinrichtungen langfristige Vorteile bringt. Durch den gezielten Transfer der Forschungsergebnisse in die Praxis können Unternehmen weltweit von den Innovationen profitieren und damit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten.
