Wie die Wasserstoff-Herstellung optimiert werden kann Technical Electrocatalysis Laboratory erforscht Elektrolyse auf Protonen-Austausch-Basis
In der Debatte um Energieträger der Zukunft spielt Wasserstoff eine große Rolle. Eine Methode, um Wasserstoff herzustellen, ist die Elektrolyse. Bei diesem Prozess wird Wasser elektrochemisch in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Um effiziente Anlagen im Großformat bauen zu können und gleichzeitig Schäden an der Produktionsanlage zu vermeiden, müssen verschiedene Parameter an den Elektrolyseuren optimiert werden. Professorin Mehtap Özaslan und ihr Technical Electrocatalysis Laboratory von der Technischen Universität Braunschweig hat den Wassertransport und Verbrauch in einem Elektrolyseur genauer untersucht.
Versuchsaufbau zur Bestimmung der Wassertransportprozesse in der PEM-Elektrolyse am Institut für Technische Chemie. Bildnachweis: Technical Electrocatalysis Laboratory (ITEC)
Es gibt verschiedene Elektrolysetechnologien. Im Experiment des Technical Electrocatalysis Laboratory wurde die Protonen-Austausch-Membran-Wasser-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane Water Electrolysis, kurz PEMWE) erforscht. Bei dieser Technologie wird an der Anode Wasser in einer elektrochemischen Reaktion verbraucht. Es entstehen dabei Sauerstoff, Protonen und Elektronen. Zwischen Anode und Kathode befindet sich eine protonenleitende Membran. Durch diese können die an der Anode freiwerdenden Protonen zur Kathode gelangen. An der Kathode werden die Protonen dann zu Wasserstoff reduziert.
Der Transportprozess der Protonen von der Anode zur Kathode verbraucht eine große Menge an Wasser. Dieses Wasser steht dann der Elektrolyse nicht mehr zur Verfügung, da die wasserverbrauchende Reaktion an der Anode stattfindet. In der Veröffentlichung hat das Team genau gemessen, wieviel Wasser durch den Protonenstrom zur Kathode transportiert wird. Dabei zeigte sich, dass die Menge an Wassermolekülen pro Proton temperaturabhängig ist.
Wichtig für Anlagenbau
Diese Informationen sind relevant für Anlagenbauer, um den Elektrolyseur mit ausreichend Wasser versorgen zu können. Andernfalls finden bei einer Unterversorgung Schädigungen statt.
Außerdem sind in Wasser geringe Mengen Gase gelöst. Damit hat der Wassertransport einen Einfluss auf die Reinheit des erzeugten Wasserstoffs. Zu guter Letzt ist die Temperaturabhängigkeit des Wassertransports eine wichtige Größe für die Modellierung eines Elektrolyseurs, um das Systemverhalten beim Betrieb mit erneuerbaren Energien vorhersagen zu können. Dies ist eines der Ziele des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „Hydrogen Terminal Braunschweig„, ein Verbundvorhaben vom Steinbeis-Innovationszentrum energieplus (siz energieplus) und der Technischen Universität Braunschweig (FKZ: 03EW0016B).
Die Ergebnisse dieser Studie wurden in einem Vortrag auf dem 243rd Electrochemical Society Meeting in Boston, USA, vorgestellt.