Im Projekt NHtry arbeiten die beiden Forschungszentren Energie und Mikrotechnik zusammen. Sie verbinden ihr Know-how und ihre Kompetenzen in der Oberflächenbearbeitung mittels Ultrakurzpulslaser, in der Katalysatorbeschichtung durch verschiedene Verfahren, im Aufbau und Betrieb von Laboranlagen und entwickeln zusammen elektrochemische Mikroreaktoren zur Herstellung von Ammoniak.

 

Die Idee dieser Forschungsaktivität ist es, eine umweltfreundliche Methode zur Speicherung von Strom aus erneuerbaren Quellen zu finden, die herkömmlichen Batterien nicht unterlegen ist. Ammoniak besteht aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen und hat eine hohe Energiedichte von 6,25 kWh/kg. Eine Lithium-Ionen Batterie hat im Vergleich dazu nur etwa 0,3kWh/kg. Diese Eigenschaften machen Ammoniak zu einem idealen Energiespeicher, da er aus fast unendlich vorhandenen, ungiftigen und einfach erhältlichen Stoffen besteht. Ein elektrochemischer Mikroreaktor besteht aus zwei Elektroden, welche durch einen Elektrolyten, in unserem Fall eine ionenleitende Membran, voneinander getrennt. Die Gase H2 und N2 werden auf beiden Seiten in den Reaktor geleitet. Beim Anlegen einer Spannung findet an der Anode die Oxidation von H2 (oder direkt H2O) statt. Es entstehen zwei Wasserstoffionen, die durch die Membran treten können und auf der anderen Seite mit Stickstoff zu Ammoniak reagieren. Damit diese Reaktion abläuft, braucht es auf der Membran Katalysatoren aus teuren Edelmetallen wie Platin und Ruthenium. Diese Katalysatoren sind der größte Kostenfaktor bei Mikroreaktoren.

Das FZ Mikrotechnik versucht daher, die Oberfläche der Membran so zu strukturieren, dass die aktive Fläche der Katalysatoren vergrößert wird. Bei der Beschichtung in der Aufdampfanlage kann in weiterer Folge die Dicke der Katalysatorschicht auf wenige Nanometer verkleinert werden. Durch Kombination dieser beiden Techniken werden zusätzlich zur größeren Oberfläche weitere sogenannte „drei-Phasen-Zonen“ erzeugt, die notwendig für den Ablauf der chemischen Reaktionen sind. Dadurch soll die Effizienz der Reaktoren erhöht werden, bei gleichzeitiger Senkung des Katalysatorbedarfs. Im FZ Energie werden die Mikroreaktoren in einem eigens dafür errichteten Teststand charakterisiert, die Wirkungsgrade der Ammoniakproduktion ermittelt und verschiedene laserbearbeitete und unbearbeitete Membrane miteinander verglichen. Durch die Untersuchungen am Teststand können die besten Parameter für die Oberflächenbearbeitung und die Katalysatorbeschichtung ermittelt werden. Durch die Interaktion zwischen den Forschungszentren Energie und Mikrotechnik können die Reaktoren somit effizient optimiert werden. 

Mai 2018

Kontakt: HAAG Johannes

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