Grüner Wasserstoff mit PEC-Elektrolyseuren: Die Transportprozesse im Blick

Eine Option, um die Energie des Sonnenlichts zu speichern, ist die Erzeugung von Wasserstoff in PEC-Elektrolyseuren. Die Aufskalierung dieser Technologie ist allerdings noch eine Herausforderung. Ein Team am HZB-Institut für Solare Brennstoffe hat nun mit 2D-Fluoreszenz-Bildgebung und Partikelvelozimetrie beobachtet, wie sich Ionen und gelöste Gase im Elektrolyten während der Elektrolyse bewegen. Die Einblicke sind neu und können bei der Entwicklung von größeren PEC-Elektrolyseuren nützlich sein.

Grüner Wasserstoff spielt für eine klimaneutrale Zukunft eine große Rolle. Eine Option, grünen Wasserstoff zu erzeugen, sind PEC-Elektrolyseure mit Photoelektroden, die die Energie des Sonnenlichts nutzen. Die Materialforschung der letzten Jahre hat bereits große Verbesserungen bei solchen Photoelektroden erreicht, die sogar katalytisch die gewünschten Reaktionen beschleunigen - allerdings nur im Labormaßstab. Bei der Aufskalierung sinken die Wirkungsgrade drastisch. Die Gründe sind vielfältig, so ermöglichen die größeren Volumina andere Konvektionsströmungen und Gradienten im pH-Wert, was zur Degradation der Elektrodenmaterialien beiträgt. 

Zwei Visualisierungsverfahren 

„Für eine Aufskalierung müssen wir besser verstehen, wie sich Ionen und gelöste Gase im Elektrolyten während der Elektrolyse bewegen. Wir haben daher am HZB mehrere Visualisierungs-Verfahren entwickelt, um diese Prozesse abzubilden“, erklärt Professor Roel van de Krol.

Mit 2D-Fluoreszenzbildgebung ist es möglich, den lokalen pH-Wert und seine Entwicklung zu verfolgen, auch die Konzentration von gelöstem Sauerstoffgas lässt sich analysieren. Die Bewegung von einzelnen Partikel im Elektrolysten lässt sich mit Hilfe der Partikelbildvelozimetrie (PIV) ermitteln.

Überraschende Einblicke

Beide Methoden haben nun neue Erkenntnisse geliefert:  So zeigten die Experimente, dass ein kontinuierlich strömender Elektrolyt in einer pH-neutralen Elektrolytlösung allein die Bildung von großen pH-Gradienten nicht verhindern kann. „Das hat uns überrascht“, sagt van de Krol: „Um solche Gradienten zu vermeiden, mussten wir auch die Konzentration an Pufferionen erhöhen.“

Experiment bleibt Goldstandard

Außerdem zeigten die experimentellen Ergebnisse, dass die großen pH-Gradienten nicht an den Oberflächen, sondern eher im Volumen entstehen. Dieses Ergebnis war unerwartet, hatten doch zuvor Computersimulationen anderer Teams vorhergesagt, dass solche Gradienten sehr nahe an Oberflächen auftreten. „Dies zeigt, dass Computersimulationen (noch) nicht in der Lage sind, wirklich alle physikalischen Zusammenhänge zu erfassen; das Experiment ist nach wie vor der Goldstandard“, betont van de Krol.

Aufskalierung im Blick

Die Arbeit wurde von Dr. Feng Liang am HZB durchgeführt, der inzwischen einem Ruf auf eine Professur in China gefolgt ist. Ko-Autor Dr. Fatwa Abdi hatte das Forschungsgebiet am HZB aufgebaut und forscht nun an der City University in Hong Kong.

Diese Ergebnisse sind wertvoll, um die Aufskalierung von effizienten PEC-Elektrolyseuren voranzutreiben, die grünen Wasserstoff in großem Maßstab erzeugen können.