Der neue Liebling der Wasserstoffenergie: Wie eine geschäumte Eisen-Nickel-Legierung Elektrolyseure zur Wasserstoffproduktion verändert

1. Die neue Ära des Wasserstoffs

Seit seiner Entdeckung im 16. Jahrhundert gilt Wasserstoff aufgrund seines reichlichen Vorkommens, seiner hohen Energiedichte und seiner umweltfreundlichen, kohlenstoffarmen Eigenschaften als entscheidende saubere Energiequelle.

Derzeit werden Wasserstoffproduktionsprozesse anhand ihrer Kohlenstoffemissionen in grauen, blauen und grünen Wasserstoff unterteilt. Grüner Wasserstoff, der durch Elektrolyse von Wasser mit erneuerbarer Energie erzeugt wird, emittiert weder Treibhausgase noch Schadstoffe und zeichnet sich durch hohe Reinheit aus. Er ist die sauberste Methode der Wasserstoffproduktion und stellt die wichtigste Zukunftsrichtung für die Wasserstoffenergie dar.

Grüner Wasserstoff wird vor allem gewonnen durchWasserelektrolyse, bei dem ein Elektrolyseur Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Derzeit gibt es vier Hauptelektrolyseur-Technologien: ALK (alkalische Wasserelektrolyse), PEM (Protonenaustauschmembran-Elektrolyse), SOEC (Festoxidelektrolysezelle) und AEM (Festpolymer-Elektrolysezelle).Inzur Austauschmembranelektrolyse).

Im Kontext der globalen CO2-Neutralität ist grüner Wasserstoff unbestreitbar zu einem Schlüsselbereich der Energiewende geworden. Die Fähigkeit der Elektrolyseurtechnologie, Kosten weiter zu senken und die Effizienz zu steigern, ist entscheidend für ihren zukünftigen Erfolg in diesem wichtigen Bereich.

2. Das Standbein: Alkalische Elektrolyseure

Die alkalische Wasserelektrolyse (ALK) zur Wasserstoffproduktion erfolgt in einer alkalischen Elektrolytumgebung, typischerweise mit KOH- oder NaOH-Lösungen. Der größte Vorteil dieser Elektrolysetechnologie besteht darin, dass weder die Anoden- noch die Kathodenplatten wertvollesMetalls, was zu den niedrigsten Elektrolyseurkosten führt. Darüber hinaus ist dieser Elektrolyseurtyp der kommerziell ausgereifteste, verfügt über umfangreiche Betriebserfahrung und dominiert den Markt. Die wichtigsten Leistungsindikatoren einiger kritischer Geräte im Inland haben internationales Spitzenniveau erreicht und ermöglichen eine großtechnische Wasserstoffproduktion pro Zelle, wodurch sie sich leicht für die netzbetriebene Elektrolyse eignen.

Ein alkalischer Elektrolyseur besteht im Wesentlichen aus Komponenten wie Endplatten, Dichtungen, Bipolarplatten,ElektrodePlatten und Membranen. Der Elektrolyseur besteht aus Dutzenden oder sogar Hunderten von Elektrolysezellen, die durch Schrauben und Endplatten zu einer zylindrischen oder quadratischen Form zusammengepresst werden. Jede Elektrolysezelle, die durch zwei benachbarte Platten begrenzt wird, besteht aus sechs Teilen: positiven und negativen Bipolarplatten, einer Anodenelektrode, einer Membran, einer Dichtung und einer Kathodenelektrode.

Entscheidend ist, dass die Elektrode des alkalischen Elektrolyseurs der Ort ist, an dem elektrochemische Reaktionen stattfinden, und sie ist entscheidend für die Effizienz der Wasserstoffproduktion des Elektrolyseurs. Die meisten Elektroden, die in großen alkalischen Haushaltselektrolyseuren verwendet werden, basieren auf Nickel und bestehen beispielsweise aus reinem Nickelnetz, Nickelschaum oder Substraten aus reinem Nickelnetz/Nickelschaum, die mit hochaktiven Katalysatoren beschichtet sind. Nickelschaum ist dabei ein kostengünstiges und ausgereiftes Produkt. Sein Elektrodenmaterial ist mit zahlreichen Mikroporen gefüllt und bietet so eine enorme Oberfläche. Dies vergrößert die Kontaktfläche zwischen Lösung und Elektrode deutlich, verkürzt die Stofftransportdistanz und verbessert die Effizienz der Elektrolysereaktion erheblich.

Schaummaterial aus Eisen-Nickel-Legierungübertrifft herkömmliche nickelbasierte Materialien, bietet mehr aktive Sauerstoffentwicklungsstellen und hat eine deutlich höhere katalytische Effizienz. Dies ist ein echter Durchbruch und Fortschritt in der alkalischen Wasserelektrolyse. Laut wissenschaftlichen Tests ist die Effizienz der alkalischen Wasserelektrolyse mit Eisen-Nickel-Schaum unter realen Betriebsbedingungen der von herkömmlichem Nickelnetz überlegen. Basierend auf aktuellen nationalen und internationalen Forschungsergebnissen kann der Gleichstrom-Energieverbrauch auf nur 4,0–4,3 kWh/Normkubikmeter sinken, wobei die Energieeffizienz 80–85 % erreicht.

3. Der Beginn der AEM-Elektrolyseure

Die Wasserelektrolyse mit einer Anionenaustauschmembran (AEM) aus einem festen Polymer ist ein Verfahren zur Wasserstoffherstellung, bei dem eine kostengünstige Anionenaustauschmembran als Separator, eine alkalische Lösung mit niedriger Konzentration oder reines Wasser als Elektrolyt und Katalysatoren aus Nichtedelmetallen für die Reaktion verwendet werden.

Bei AEM-Elektrolyseuren besteht die Anode typischerweise aus Übergangsmetalloxiden (z. B. Nickeloxid, Kobaltoxid), während die Kathode im Allgemeinen aus Edelmetallen oder deren Legierungen wie Nickel, Platin oder Palladium besteht.

Die Reaktion an der Anode ist: 4OH−−4e−→O2​↑+2H2​O Die Reaktion an der Kathode ist: 2H2​O+2e−→H2​↑+2OH−

Die hier erwähnten 4OH− sind die in diesem Prozess hervorgehobenen Anionen. Unter der Einwirkung der Anionenaustauschermembran kann das an der Kathode erzeugte OH− zur Anode wandern, wodurch die OH−-Konzentration auf der Anodenseite steigt und an der Anode mehr Sauerstoff und Wasser entsteht. Dadurch entsteht an der Kathode natürlich ein reinerer Wasserstoff.

Die Hauptaufgabe der Kathoden- und Anodenmaterialien besteht darin, die Wasserspaltungsreaktion zu katalysieren und den erzeugten Wasserstoff und Sauerstoff effizient abzugeben. Daher müssen sowohl Kathoden- als auch Anodenmaterialien eine hohe katalytische Aktivität und Porosität aufweisen. Für einen reibungslosen Ablauf der Elektrodenreaktionen müssen Kathoden- und Anodenmaterialien zudem eine hohe Anionen- und Elektronenleitfähigkeit aufweisen.

Derzeit sind Nickellegierungen die am häufigsten verwendeten Kathodenmaterialien, während Anodenmaterialien überwiegend Nickel-Eisen-Legierungen sind. Eisen und Nickel weisen nicht nur eine hohe katalytische Aktivität für die Wasserspaltung auf, sondern sind auch weit verbreitet und kostengünstig. Da AEM nicht in hochkorrosiven Umgebungen betrieben wird, benötigt es keine Edelmetallkatalysatoren wie Iridium oder Titan in den Anoden- und Kathodenmaterialien. Dies reduziert die Herstellungskosten von AEM-Anlagen erheblich, und ihre Leistung steht der der PEM-Technologie in nichts nach, was sie zur wichtigsten Technologie für neu entwickelte Wasserstoffelektrolyseure weltweit macht.

4. Auf der Welle reiten: Der Aufstieg vonSchaum Eisen-Nickel

Ob für die derzeit gängige ALK-Technologie (alkalische Elektrolyse) oder die aufkommende AEM-Technologie, Schaumeisen-Nickel bietet einzigartige Anwendungsvorteile und breite Perspektiven.

Materialeigenschaften: Revolutionäres 3D-Mesh-Design

• Ultrahohe spezifische Oberfläche:Mit Porengrößen von 20–450 μm und einer Porosität von ≥98 % ist die aktive Oberfläche hundertmal größer als bei planaren Elektroden. Dies steigert die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich, vergrößert die Kontaktfläche zwischen Lösung und Elektrode drastisch, verkürzt die Stofftransportdistanz und verbessert die Effizienz der Elektrolysereaktion erheblich.
• Effektive Katalyse: Die Oberfläche von Eisen-Nickel-Schaum ist mit Katalysatoren auf Nickel- und Eisenbasis beschichtet. Diese Katalysatoren unterstützen die Wasserelektrolysereaktion, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird.
• Strukturelle Unterstützung:Die dreidimensionale Struktur des Schaumnickels bietet hervorragenden Halt und trägt dazu bei, die Stabilität und strukturelle Integrität der Elektrode aufrechtzuerhalten und so einen langfristigen Betrieb sicherzustellen.
• Hohe Leitfähigkeit:Sowohl Eisen als auch Nickel sind gute elektrische Leiter und die dreidimensionale Struktur von Eisen-Nickel-Schaum bietet eine große Oberfläche und unterstützt so die Stromverteilung.

Katalysatorschichtanwendung

Derzeit bestehen die Katalysatorschichten von Elektrolyseuren hauptsächlich ausAnodenkatalysatorschicht (OER-CL)und dieKathodenkatalysatorschicht (HER-CL), die die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) bzw. die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) erleichtern. Da sowohl OER als auch HER kinetische Inertheit aufweisen, werden die Elektroden typischerweise mit Katalysatoren beladen, um die Reaktionsaktivität zu steigern und den Energieverbrauch zu senken. Dies ist die Funktion der Katalysatorschicht (CL). Da Ni-basierte Katalysatoren eine hohe Aktivität und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in alkalischen Medien aufweisen und stabiler als andere Übergangsmetalle (wie Fe, Co) sind, werden sie häufig als OER- und HER-Katalysatoren verwendet. Aufgrund seiner hohen Sauerstoffaffinität neigt Fe dazu, OH−-Spezies zu adsorbieren und wird daher häufig als kinetischer Promotor der OER verwendet.Schaummaterial aus Nickel-Eisen-Legierung, das die Eigenschaften von NiFe-Metallen vereint, zeigt deutliche Vorteile beim Einsatz als Anodenmaterial für die Wasserstoffproduktion.

Diffusionsschichtanwendung

Die Gasdiffusionsschicht (GDL) dient hauptsächlich der Gasdiffusion – Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode. Aufgrund ihrer metallischen Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit erleichtert sie zudem den Elektronen- und Wärmetransport und wird daher auch als poröse Transportschicht (PTL) bezeichnet. Schaumnickel wird derzeit häufig als Diffusionsschichtmaterial eingesetzt. Darüber hinaus ist hochwertiger, kostengünstiger Eisen-Nickel-Schaum mittlerweile eine wirtschaftlichere Alternative.