Elektrochemische Verfahren wie die Wasserelektrolyse werden angesichts des Klimawandels und der daraus resultierenden Notwendigkeit einer Energie- und Rohstoffwende in Zukunft immer wichtiger. Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM arbeitet gemeinsam mit der hte GmbH an der Entwicklung modularer elektrochemischer Zellen. Diese Durchflusszellen werden bei Screening-Aufgaben eingesetzt und helfen so, elektrochemische Produktionsprozesse, wie beispielsweise die Wasserelektrolyse, zu optimieren.
Im Kontext der Energie- und Rohstoffwende stellen elektrochemische Verfahren einen Vorteil dar, da sie mit Strom statt mit chemischen Reagenzien ablaufen. Sie können auch aktiv auf Schwankungen der Stromversorgung reagieren, indem sie elektrochemische Prozesse bei Stromüberschuss zuschalten und bei Strommangel abschalten.
Ein wichtiger Anwendungsfall ist die Wasserelektrolyse. Dabei entsteht Wasserstoff – ein flexibler und leicht transportierbarer Energieträger, der eine zentrale Rolle bei der Energiewende spielt. Aus diesem Grund entwickelt und verbessert das Fraunhofer IMM elektrochemische Mikroreaktoren – auch „Durchflusszellen“ genannt – für den Einsatz in grünen Syntheseverfahren wie der Elektrosynthese und zur Untersuchung der Wasserelektrolyse.
Diese Mikroreaktoren ermöglichen die Entwicklung und das Screening der Synthesen im Labormaßstab und ermöglichen gleichzeitig die Überführung der Synthese in den Pilotmaßstab. Gemeinsam mit der Heidelberger hte GmbH hat das Fraunhofer IMM ein modulares und flexibles Konzept für eine elektrochemische Durchflusszelle entwickelt, das sie für Hochdurchsatz-Screening-Aufgaben in der Elektrokatalyse einsetzen.
„Mit Hilfe von Mikroreaktoren lassen sich chemische Prozesse präzise steuern. Das gilt auch für unsere elektrochemischen Zellen, mit denen sich elektrochemische Produktionsprozesse optimieren lassen, beispielsweise wenn es um nachhaltige Chemieproduktion oder Wasserelektrolyse geht. Screening-Plattformen, die unsere nutzen.“ Das Design ermöglicht das Testen einer Reihe von Katalysatoren und Verarbeitungsbedingungen in sehr kurzer Zeit.
„An Screening-Plattformen für die Elektrokatalyse müssen Modifikationen vorgenommen werden. Neben dem Elektrokatalysator selbst müssen auch Prozessbedingungen wie Druck, Temperatur, Zellspannung, Durchflussraten und Elektrolytzusammensetzung untersucht werden. Hier kommen unsere Durchflussreaktoren ins Spiel.“ spielen im Screening-System eine Rolle“, erklärt Dr. Patrick Löb, Leiter der Gruppe Strömungschemie am Fraunhofer IMM in Mainz.
Ein Reaktorkonzept auf Plattenstapelbasis
Das vom Fraunhofer IMM entwickelte Grundreaktorkonzept für elektrochemische Anwendungen basiert auf einem Plattenstapeldesign. Eine einzelne elektrochemische Zelle besteht aus einer Reihe von Elektrodenplatten und anderen Komponenten. Der Stapel kann entweder eine Zelle für den Einzelbetrieb oder eine Reihe von Zellen enthalten, die parallel, seriell oder in einer Kombination aus beiden betrieben werden können. Der Parallelbetrieb eignet sich besonders für Screening-Aufgaben. Daher ist es möglich, den Einfluss des Membranmaterials auf den elektrochemischen Prozess zu untersuchen, da in jede der ansonsten gleichen elektrochemischen Zellen im Stapel unterschiedliche Membranen eingebaut werden können. Die Ergebnisse der Untersuchung können dann genutzt werden, um die beste Membran für den Prozess auszuwählen.
„Der Reaktor ermöglicht eine Vielzahl von Zellvarianten, sodass beispielsweise unterschiedliche Membranmaterialien und Elektrokatalysatoren modifiziert und getestet werden können“, sagt der Forscher. Das Besondere an den Durchflusszellen der hte GmbH ist, dass ihre grundlegende Zellstruktur – die Reaktorkonfiguration – weiter variiert werden kann.
Ein erster Prototyp eines Screening-Moduls mit vier parallel angeordneten elektrochemischen Zellen wurde geliefert und wird derzeit validiert. Wir sind dabei, dies auf 16 parallele Zellen zu erweitern. Mithilfe dieser Reaktoren kann beispielsweise untersucht werden, wie die Wasserelektrolyse optimiert werden kann. Hier muss ermittelt werden, welche Elektrokatalysatoren und Membranen die Effizienz des Prozesses steigern. Dank ihres modularen Aufbaus sind sie auch für andere Prozesse einsetzbar.
Dadurch ist es mit dem aktuellen Zelldesign möglich, unterschiedliche Reaktorkonfigurationen – beispielsweise mit unterschiedlichen Elektrodenabständen – abzudecken, was das breite Anwendungsspektrum verdeutlicht. Durch die zahlreichen Reaktorkonfigurationen lässt sich die Screening-Plattform an unterschiedliche Anwendungsbereiche anpassen. Daher kommen neben der Wasserelektrolyse auch andere Aufgaben in Betracht, etwa die Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe oder die Zersetzung von Abfällen in der Abwasseraufbereitung.
Nach ersten Schätzungen könnten parallele Tests – ermöglicht durch die neuen elektrochemischen Flusszellen – das Screening von Katalysatoren im Vergleich zu klassischen Ansätzen in Langzeitexperimenten um das bis zu Vierfache beschleunigen. Im Laufe des Jahres sollen die neuen Durchflusszellen in die Pilotanlage der hte GmbH integriert werden.
„Generell können wir unsere skalierbaren elektrochemischen Mikroreaktoren gezielt anpassen, sodass sie für unterschiedliche Aufgabenstellungen eingesetzt werden können. Die Elektrochemie erlebt derzeit eine Renaissance, angetrieben durch die Suche nach umweltfreundlichen Syntheseverfahren und Bestrebungen zur direkten (übermäßigen) nachhaltigen Nutzung.“ erzeugte Energie“, fasst Löb zusammen.