»Das Zelldesign elektrochemischer Reaktoren erhält nicht die Aufmerksamkeit, die es verdient – vor allem nicht in akademischen Kreisen. Deshalb freue ich mich sehr über diese Veranstaltung und die Einladung, eine Keynote beizusteuern.« Mit diesen Worten eröffnete Prof. Edward Roberts seinen Vortrag. Der Wissenschaftler der University of Calgary sorgte für eine thematische Einordnung und stellte Grundlagen rund um elektrochemische Zelldesigns, Wasseraufbereitung und Energiespeicherung vor. Im Gepäck hatte er beispielsweise das Foto eines »voltaic stack« aus dem 19. Jahrhundert und stellte es neben die Aufnahme eines bipolaren Stacks heutiger Zeit. Sein Kommentar: »Wie Sie sehen, haben wir im elektrochemischen Zelldesign enorme Fortschritte gemacht.«

In welche Richtung die weitere Entwicklung in Zukunft gehen könnte, verdeutlichte Edward Roberts am Beispiel einiger »wacky ideas«, an denen sein Team und er aktuell arbeiten. Dazu gehören komplexe Zellen mit beweglichen Festbettelektroden, eine oszillierende Fluidführung sowie Modifikationen mit magnetischen Feldern.

Neue Wege zur Gestaltung von Elektroden

Innovative Ideen stellte auch Prof. Matthias Wessling vor. Der Wissenschaftler der RWTH Aachen hielt die zweite Keynote mit dem Titel »Free form fabrication of electrochemical membrane reactors« und betonte: »Die Integration von Reaktions- und Trennsystemen für Elektroden ist ein wunderbarer, wissenschaftlicher Spielplatz für elektrochemische Ingenieurinnen und Ingenieure.“ Auf dem Aachener Spielplatz sind u. a. nickelbasierte Anoden für die Oxidation von Lignin entstanden – und zwar in Gestalt keramischer Membranrohre. Diese können z. B. per 3D-Druck, selektivem Lasersintern und laserloser additiver Fertigung hergestellt werden, so Matthias Wessling.

Um die Kreativität der Teilnehmenden mit Blick auf die Gestaltung von Elektroden anzuregen, stellte er zudem verschiedene Formen vor, mit denen sein Team und er arbeiten. Abschließend thematisierte er Röhrenreaktoren sowie den Einsatz von Durchfluss- und Slurry-Elektroden.

Der erfolgreiche Austausch zum Design elektrochemischer Reaktoren wird 2021 wiederholt

Auf die Keynotes folgten weitere Vorträge in drei Sessions: Im Fokus von »Cell design and fluid flow« standen Zellkonzepte und innovative Strömungsführungen unterschiedlicher Reaktorarten. In der Session »Functional components« ging es u. a. um Membranen und poröse Elektroden, während sich die Session »Stack design, testing and sealing technology« primär um den bipolaren Aufbau von elektrochemischen Reaktoren drehte. Die Vortragenden kamen u. a. von dem Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK, dem Karlsruher Institut für Technologie, dem DECHEMA-Forschungsinstitut, der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, der TU Clausthal, der ZBT GmbH sowie dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB und dem UMSICHT.

Der Organisator war mit Ablauf und Ergebnis des virtuellen »E3C – Electrochemical Cell Concepts Colloquium« vollauf zufrieden. »Ich denke, alle Teilnehmenden haben neue Impulse für ihre Forschungsarbeit mitgenommen«, lautete Jan Girschiks Fazit. »Die Premiere war also ein voller Erfolg, den wir 2021 wiederholen möchten. Dann hoffentlich vor Ort in Oberhausen und mit der Option auf persönliches Netzwerken zwischen den Vorträgen.« Den Call for Papers kündigte er für September 2020 an.

Freiwillige mit fundiertem technischen Wissen haben sich als Online-Bewegung weltweit zusammengeschlossen, um zusätzliche Schutzausrüstung gegen eine Ansteckung mit COVID-19-Erregern zu entwickeln und zu produzieren. Das Fraunhofer UMSICHT fertigt Gesichtsschutzschilde an und nutzt dazu die Produktionskapazitäten der 3D-Drucker in der offenen Werkstatt (»FabLab«) der DEZENTRALE in Dortmund. Basis ist der Open Source-Konstruktionsplan des so genannten »Prusa Shields« der Firma Prusa Printers. Dieses Gesichtsschutzschild besteht aus einer 3D-gedruckten Kopfhalterung mit einem dünnen, transparenten Kunststoffschild. Das Design der Halterungen wird laufend aktualisiert, und auch den Nutzerinnen und Nutzern ist es freigestellt, eigene Veränderungen vorzunehmen, um Ergonomie und Sicherheit zu optimieren.

Schutz für risikobehaftete Berufsgruppen

Die derzeitigen Mund-Nasen-Masken müssen aufgrund von Knappheit oftmals länger getragen werden, so dass ein zusätzliches Gesichtsschild ein weiteres Hindernis für Infektionserreger darstellt. Der Bedarf ist hoch – sowohl in Deutschland als auch international. »Wir hoffen, mit den Schutzschilden insbesondere das Personal zu entlasten, das konstant dem Ansteckungsrisiko ausgesetzt ist wie z. B. in Krankenhäusern«, erklärt Patrick Jaruschowitz vom Fraunhofer UMSICHT. Aktuell verfügt die DEZENTRALE über drei verschiede 3D-Druckverfahren (FDM, SLA und SLS) und insgesamt über zehn unterschiedliche 3D-Drucker. Täglich werden auf diesen 30 bis 50 Schilder produziert. Die gedruckten Gesichtsschilde werden verschiedenen Krankenhäusern sowie Pflege- und Therapieeinrichtungen zur Verfügung gestellt.

Kooperationspartner gesucht: Schutzausrüstung weiterentwickeln

Das Fraunhofer UMSICHT ist im neu gegründeten Produzentennetzwerk in der Corona-Krise der Ruhr-Universität Bochum vertreten. Organisiert wird das Kooperationsnetzwerk durch den Lehrstuhl für Produktionssysteme und dient dazu, Produzenten und Abnehmer für Gesichtsschilde schnell und unkompliziert zusammenzubringen.

Die Gesichtsschilde druckt das Fraunhofer UMSICHT derzeit kostenlos und aus eigenem Engagement, auch wenn die Kapazitäten eines Forschungsinstituts nur einen kleinen Teil des Bedarfs decken können. Die Praxis zeigt gleichzeitig, dass die heutigen Atem-Schutz-Masken, Gesichtsschilde oder weiteren Komponenten der persönlichen Schutzausrüstung nicht für jede Anwendung und jede Person optimal sind. Daher ist es notwendig, diese Systeme weiterzuentwickeln. Dafür sucht das Fraunhofer UMSICHT derzeit Kooperationen mit Unternehmen und Organisationen.

»Das Kolloquium soll vor allem dem fachübergreifenden Wissenstransfer dienen«, stellt Organisator Jan Girschik vom Fraunhofer UMSICHT heraus. »Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus verschiedenen Anwendungsbereichen können dabei ihre Expertisen miteinander verknüpfen, damit die Technologien gegenseitig von ihren Entwicklungen und Neuerungen profitieren und der Stand der Forschung insgesamt vorangebracht wird.«

Unter den Referierenden finden sich u. a. die beiden Keynote-Sprecher Prof. Dr. Edward Roberts von der University of Calgary und Prof. Dr. Matthias Wessling von der RWTH Aachen. Weitere Beiträge kommen von dem Institut für Mikrosystemtechnik IMTEK, dem Karlsruher Institut für Technologie, dem DECHEMA-Forschungsinstitut, der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, der TU Clausthal, der ZBT GmbH sowie den Fraunhofer-Instituten IGB und UMSICHT.

Aufgeteilt sind die Vorträge in drei Sessions: Im Fokus von »Cell design and fluid flow« stehen Zellkonzepte und innovative Strömungsführungen unterschiedlicher Reaktorarten. In der Session »Functional components« geht es u. a. um Membranen und poröse Elektroden, während sich die Session »Stack design, testing and sealing technology« primär um den bipolaren Aufbau von elektrochemischen Reaktoren dreht. Aufgrund der internationalen Ausrichtung der Veranstaltung ist die Vortragssprache übrigens Englisch.

Das »E3C – Electrochemical Cell Concepts Colloquium« findet als Online-Konferenz von 9.00 bis 17.00 Uhr statt. Die Teilnahmegebühr liegt bei 40 Euro. Für Studierende steht ein kleines Kontingent an Freikarten zur Verfügung. Ist das ausgeschöpft, liegt die ermäßigte Teilnahmegebühr bei 15 Euro.

Anmeldungen sind online möglich.

Weitere Informationen

• Programm und AnmeldungProgramm und Anmeldung

Kompetenzen des Fraunhofer UMSICHT

• Elektrochemische EnergiespeicherElektrochemische Energiespeicher 

Abwasserrohre sollten viele Jahre haltbar sein, denn der Austausch ist zeitaufwändig und kostenintensiv. Doch die Bedingungen für die verbauten Materialien sind extrem: z. B. kann durch die Besiedelung mit Mikroorganismen im Rohr Schwefelsäure entstehen. Dies führt dann zu einem kombinierten chemisch-biologischen Angriff, der sogenannten biogenen Schwefelsäurekorrosion (BSK). Um die Beständigkeit von Materialien gegenüber diesem Korrosionsfall zu prüfen, führt das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in einem dafür entwickelten Prüfverfahren seit 2006 Untersuchungen durch. Das Verfahren stellt den chemisch-biologischen Angriff praxisnah, zeitgerafft und reproduzierbar nach. Um den in den letzten Jahren steigenden Anfragen zu Korrosionsprüfungen gerecht zu werden, hat nun eine weltweit einzigartige Anlage ihren Betrieb aufgenommen, die die bisher vorhanden Prüfkapazitäten erweitert.

Materialprüfung macht Entwicklung von BSK-resistenten Werkstoffen möglich

Aus anorganischen und organischen Schwefelverbindungen im Abwasser bzw. im abgesetzten Schlamm wird durch sulfatreduzierende Bakterien Sulfid gebildet, das zu Schwefelwasserstoff (H2S) umgesetzt wird. Das gasförmige H2S emittiert in den Gasraum, wird auf den Werkstoffoberflächen absorbiert und anschließend zu Schwefel (S) oxidiert. Im Kanalsystem und auch auf den Werkstoffen vorhandene Bakterien (Thiobacillen) setzen schließlich den Schwefel zu Schwefelsäure um, wodurch der Säureangriff startet.

Um gezielt BSK-resistente Werkstoffe zu entwickeln, werden Untersuchungsmethoden benötigt, mit denen die Realbedingungen im Labor nachgestellt werden können. Bereits seit 2006 beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beim Fraunhofer UMSICHT mit der Thematik. Im Laufe der Jahre wurden dazu mehrere Teststände errichtet, die einen zeitgerafften und reproduzierbaren BSK-Angriff realisieren.
Häufig untersuchte Materialien sind zementäre Werkstoffe wie Mörtel und Beton. Aber das Spektrum reicht von beschichteten metallischen Werkstoffen bis hin zu Kunststoffen.

Ausbau der Kapazität

Um dem steigenden Bedarf an nachgefragten Untersuchungen gerecht zu werden, wurden im Jahr 2019 die Entwicklung und der Bau einer neuen Anlagentechnik gestartet. Die Finanzierung erfolgte aus Fraunhofer-internen Mitteln und führte zu einem weltweit einzigartigen Teststand. »Mit der nun in Betrieb befindlichen Anlage hat das Team sowohl in Bezug auf die Anlagengröße als auch im Bereich eines digitalisierten Anlagenbetriebs einen neuen Stand der Technik geschaffen«, sagt Dr. Holger Wack, Projektleiter und Mitarbeiter in der Abteilung Materialsysteme und Hochdrucktechnik beim Fraunhofer UMSICHT und ergänzt: »Es freut uns ganz besonders, dass wir mit der neuen Anlage nun ausreichend Kapazität haben, sowohl auf die Wünsche unserer Kunden einzugehen, als auch die Vernetzung mit anderen europäischen Wissenschaftlern zu vertiefen und gemeinsame Projekte anzugehen.«

In Zusammenarbeit mit dem langjährigen Kooperationspartner im Bereich der Mikrobiologie, Dr. Brill + Partner GmbH, Hamburg, werden aktuell bereits mehrere Untersuchungskampagnen in der neuen Anlage durchgeführt.