Dynamische Zustandsdiagnose Poröser Gasdiffusionselektroden

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Ulrike Krewer
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276655287

In Teilprojekt 2 wird die Makrokinetik der alkalischen Sauerstoff- und Kohlendioxidreduktion an Silber-Gas-Diffusionselektroden (GDE) modellbasiert und experimentell mit dynamischen Methoden aufgeklärt. Hierbei soll ein grundsätzliches Verständnis für Limitierungen je in den Elektroden für die Sauerstoffreduktion und die Kohlendioxidreduktion aufgebaut und verglichen werden. Die komplexe Interaktion von Stofftransport, Phasengleichgewichten und verschiedenen elektrochemischen Reaktionsschritten macht die Analyse und Identifizierung dieser insbesondere in porösen Elektroden zu einer anspruchsvollen Herausforderung. Für die Kohlendioxidreduktion kommen zusätzlich chemische Reaktionen im Elektrolyten und die Wasserstoffbildung als Konkurrenzreaktion hinzu. Erforscht werden soll insbesondere der Einfluss von Potential, chemischer Kinetik und Elektrodendesign auf Transportprozesse, Speziesverteilung sowie Stromdichte. Weiterhin soll der Einfluss der einzelnen Prozesse auf die Leistungsfähigkeit und das dynamische Verhalten der GDE aufgeklärt werden.Zur Aufklärung werden dynamische, quantitative Modelle der Makrokinetik in den porösen Elektroden aufgestellt. Die benötigten Messdaten werden von den Partnern beigesteuert und mittels eigener Differentieller Elektrochemischer Massenspektrometrie-Messungen gewonnen. Die dynamischen Methoden ermöglichen die getrennte Analyse der unterschiedlichen Teilprozesse und erlauben es, ihre Zeitkonstanten, kinetischen Parameter und ihren Einfluss auf das Gesamtverhalten zu bestimmen. Für die GDE mit Sauerstoffreduktion eignen sich dabei aufgrund der hohen Prävalenz langsamer Transportprozesse im Elektrolyten insbesondere Strom- bzw. Spannungssprünge als Anregungssignale.Die Erkenntnisse anderer Teilprojekte zu Kinetik, lokalen Bedingungen und Elektrolytverteilung werden in den Modellen zusammengeführt, um den Einfluss der Einzelprozesse auf das Gesamtverhalten zu verstehen. Zusätzlich gibt eine gezielte modellbasierte Analyse unterschiedlicher Szenarien Hinweise darüber, welche Prozesse limitierend wirken bzw. wie sensitiv die Elektrode auf diese ist. Basierend auf dieser Analyse können Rückschlüsse zur Auswahl optimaler Betriebsbedingungen und zur Herstellung verbesserter Elektroden gezogen werden. Zudem werden dynamische und stationäre Methoden vergleichend evaluiert, und generelle Einsetzbarkeit und Nutzen der Dynamik als Charakterisierungsmethodik für technische Gasdiffusionselektroden anhand der beiden unterschiedlichen Reaktionen eruiert.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2397: Multiskalen-Analyse komplexer Dreiphasensysteme