Überblick über die PEM-Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse I

Überblick PEM-Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse I

Wasserstoff ist ein sauberer und flexibler Energieträger, der zur Bereitstellung von Strom und Wärme genutzt werden kann. Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und stationäre Stromerzeugung sind emissionsfreie Technologien. Wasserstoff kann sowohl aus traditionellen fossilen Brennstoffen als auch aus kohlenstofffreien Energiequellen hergestellt werden, die beide zur Speicherung von Energie und zur bedarfsgerechten Steuerung des Netzes verwendet werden.

Derzeit werden nur 4 % des Wasserstoffs durch Elektrolyse hergestellt, wobei hauptsächlich kostengünstige Aufbereitungsmethoden wie die Gasreformierung von Erdgas oder Raffineriegas zum Einsatz kommen. Allerdings werden in Zukunft erneuerbare Energiequellen (RES) einen erheblichen Teil der erzeugten Elektrizität ausmachen. Die Elektrolyse gilt als die sauberste Möglichkeit, Wasserstoff mithilfe erneuerbarer Energien herzustellen.

Eine neue Anwendung für Elektrolyseure liegt im Bereich „Power to Gas“. Wasserstoff, der durch an erneuerbare Energien angeschlossene Elektrolyseure erzeugt wird, wird in das Gasnetz eingespeist. Dieser Ansatz ermöglicht die Nutzung von Gaspipelines als große „Speichertanks“ und vermeidet den Bau neuer Infrastruktur. Die Menge des eingespritzten Wasserstoffs hängt von den Vorschriften des jeweiligen Landes ab. Dieses Problem kann durch Methanisierung gelöst werden, bei der Wasserstoff und Kohlenmonoxid/Kohlendioxid in nachhaltiges Methan umgewandelt werden. Der in der Erdgasinfrastruktur gespeicherte Wasserstoff kann zum Heizen, Transportieren oder wieder in Strom umgewandelt werden. Ein weiterer Einsatzbereich für Elektrolyseure sind Tankstellen mit Wasserstoffproduktion vor Ort.

Die Hauptvorteile der PEM-Elektrolyse gegenüber der alkalischen Elektrolyse sind eine höhere Sicherheit und Zuverlässigkeit, da kein korrosiver Elektrolyt verwendet wird. Darüber hinaus wird durch die Möglichkeit, bei hohen Druckunterschieden über die Membran hinweg zu arbeiten, eine Sauerstoffkompression vermieden. Aufgrund der festen und dünnen Membranen weist die PEM-Elektrolyse einen schnelleren Ionentransport auf als die alkalische Elektrolyse. Flüssige Elektrolyte weisen hinsichtlich des Ionentransports eine größere Trägheit auf. Alkalische Elektrolyseure reagieren langsam, wenn der Elektrolyseur unter schwankenden Bedingungen betrieben wird, und haben nach dem Abschalten Schwierigkeiten beim Starten. Darüber hinaus kann die Technologie mit höheren Stromdichten betrieben werden als alkalische Elektrolyseure.

Katalysator
Als Elektrokatalysatoren werden bei der PEM-Elektrolyse meist teure Edelstoffe eingesetzt. Palladium oder Platin an der Kathode für die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und Iridium oder Rutheniumoxid an der Anode für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) werden am häufigsten verwendet. IrO2 weist eine höhere Korrosionsbeständigkeit als RuO2 auf, weist jedoch eine geringe OER-Aktivität auf. RuO2 schneidet im niedrigen Überpotentialbereich gut ab, Stabilitätsprobleme behindern jedoch praktische Anwendungen. Die Stabilität von RuO2 kann durch die Verwendung binärer IrO2-RuO2-Mischkristalllösungen leicht verbessert werden. Die Verwendung von IrO2 mit kleiner Partikelgröße (2–3 nm) kann die Edelmetallbeladung bei gleichbleibender Leistung reduzieren. Leitfähigkeit, elektrokatalytische Aktivität und Stabilität sind anspruchsvolle Aspekte von Nichtedelmetallkatalysatoren.

Protonenaustauschmembran
Bei der PEM-Elektrolyse werden Perfluorsulfonsäuremembranen (PFSA) als Festelektrolyte eingesetzt. Wichtige Eigenschaften von PEM-Elektrolysemembranen sind ein geringer Crossover, die Fähigkeit, bei hohen Temperaturen (>100 °C) zu arbeiten und eine hohe mechanische Beständigkeit. Crossover in PEMWE kann die Membran beschädigen und zum Ausfall des Stapels führen. Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff ist sehr exotherm und führt zu lokaler Erwärmung, die mit der Zeit zu Schäden an der Membran führen kann. Dieses Problem ist besonders wichtig, wenn der Elektrolyseur mit hohem Druck (bis zu 350 bar) arbeitet. Die Möglichkeit, bei hohem Druck zu arbeiten, ermöglicht eine Reduzierung der mechanischen Energie, die für die Druckbeaufschlagung des Gases erforderlich ist.

Bei diesen Anwendungen ist ein geringer Crossover-Wert erforderlich und erfordert eine entsprechende Polymerfilmdicke. Eine weitere wichtige mechanische Eigenschaft von Polymerfolien ist die Reißfestigkeit. Tatsächlich entstehen beim Stapelaufbau große Spannungen, insbesondere zwischen den Elektrodenkanten und den Dichtungen. Gute Zugeigenschaften und eine geringe Weiterreißfestigkeit sind Schlüsseleigenschaften von Polymermembranen in Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren. Typischerweise werden Verbundmembranen oder verstärkte Membranen für den Betrieb bei hohen Drücken und Temperaturen verwendet. PEM-Elektrolyseure arbeiten bei hohen Temperaturen (>100 °C), was die Änderung der freien Gibb-Energie reduziert und die Reaktionskinetik verbessert. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer geringen Kosten eine echte und attraktive Option PEM-Elektrolyseure.