Die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse ist ein elektrochemischer Prozess, bei dem Wassermoleküle unter der Wirkung von Gleichstrom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden. Diese werden jeweils an der Kathode und Anode getrennt. Abhängig von den verwendeten Membranen kann die Wasserelektrolyse in alkalische Elektrolyse, Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) und Festoxidelektrolyse unterteilt werden.
Geschichte der Wasserelektrolyse
Die industrielle Anwendung der Wasserelektrolyse begann in den 1920er Jahren. Die alkalische Flüssigkeitselektrolyse hat die großtechnische Produktion von Wasserstoff ermöglicht, um industrielle Bedürfnisse wie die Ammoniakproduktion und die Erdölraffination zu decken. Nach den 1970er Jahren führten Energieknappheit, Umweltverschmutzung und die Anforderungen der Weltraumforschung zur Entwicklung der Protonenaustauschmembran-Elektrolysetechnologie. Gleichzeitig wurde die kompakte und hochdruckfähige alkalische Elektrolysetechnologie speziell für bestimmte Anwendungsbereiche entwickelt.
Alkalische Flüssigkeitselektrolyse
Die alkalische Flüssigkeitselektrolyse nutzt KOH- und NaOH-Lösungen als Elektrolyte, wobei beispielsweise Asbestgewebe als Membran dient. Unter der Wirkung von Gleichstrom wird Wasser elektrolysiert, wodurch Wasserstoff und Sauerstoff entstehen. Der produzierte Gasstrom muss anschließend entalkalisiert werden. Diese Technologie wurde Mitte des 20. Jahrhunderts industrialisiert. Die Zellen alkalischer Elektrolyseure zeichnen sich durch flüssige Elektrolyte und poröse Separatoren aus.
Typischerweise arbeiten alkalische Elektrolyseure mit einer Stromdichte von etwa 0,25 A/cm² und einer Energieeffizienz von etwa 60 %. In diesen Systemen reagiert der verwendete Elektrolyt, wie KOH, mit dem CO₂ aus der Luft und bildet Karbonate wie K₂CO₃, die unter alkalischen Bedingungen unlöslich sind. Diese unlöslichen Karbonate können die poröse Katalysatorschicht verstopfen, den Transfer von Produkten und Reaktanten behindern und die Leistung des Elektrolyseurs erheblich mindern.
Darüber hinaus ist es schwierig, einen alkalischen Flüssigkeitselektrolyseur schnell herunterzufahren oder zu starten. Die Wasserstoffproduktionsrate lässt sich nur schwer schnell anpassen, da der Druck auf beiden Seiten der Anode und Kathode ständig ausgeglichen werden muss, um das Übertreten von Wasserstoff und Sauerstoff zu verhindern. Ein Ungleichgewicht kann dazu führen, dass die poröse Asbestmembran durchmischt wird, was zu einer Explosion führen kann.
Herausforderungen der alkalischen Flüssigkeitselektrolyse
Aufgrund dieser Eigenschaften ist es für alkalische Flüssigkeitselektrolyseure schwierig, mit erneuerbaren Energiequellen mit schnellen Schwankungen zu arbeiten. Die inhärente Trägheit und Komplexität dieser Technologie stellen eine Herausforderung für den Einsatz in dynamischen Energieszenarien dar.
Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse mit festem
Polymerelektrolyten
Da es bei alkalischen Flüssigkeitselektrolyseuren noch viele Probleme gibt, die verbessert werden müssen, hat sich die Technologie der Wasserelektrolyse mit festem Polymerelektrolyten (Solid Polymer Electrolyte, SPE) rasant entwickelt. Die erste praktische SPE-Technologie ist die Protonenaustauschmembran (PEM), auch PEM-Elektrolyseur genannt.
Die Asbestmembran wird hierbei durch eine Protonenaustauschmembran ersetzt, die Protonen leitet und die Gase auf beiden Seiten der Elektrode isoliert. Dadurch werden die Nachteile der starken alkalischen Flüssigkeitselektrolyten in herkömmlichen alkalischen Elektrolyseuren vermieden.
Gleichzeitig nutzt die PEM-Wasserelektrolysezelle eine Nullabstandsstruktur. Dies führt zu einem kompakteren und effizienteren Design der Elektrolysezelle, reduziert den ohmschen Widerstand der Zelle und verbessert die Gesamtleistung erheblich.
Die derzeitige Betriebsstromdichte von PEM-Elektrolysezellen liegt in der Regel über 1 A/cm², was mindestens viermal so hoch ist wie bei alkalischen Elektrolysezellen. Sie gilt als eine der vielversprechendsten Technologien für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse.
Hauptkomponenten eines typischen PEM-Wasserstoffelektrolyseurs
Die Hauptkomponenten einer typischen PEM-Wasserelektrolysezelle umfassen:
- Kathoden- und Anodenendplatten,
- Gasdiffusionsschichten für Kathode und Anode,
- katalytische Schichten für Kathode und Anode,
- Protonenaustauschmembranen.
Endplatten:
Sie fixieren die Komponenten der Elektrolysezelle, leiten den Strom und verteilen Wasser und Gase.
Diffusionsschichten:
Sie sammeln den Strom und fördern den Transport von Gasen und Flüssigkeiten.
Katalytische Schichten:
Diese bestehen aus Katalysatoren, einem Elektronenleitmedium und einem Protonenleitmedium. Die dabei gebildete Dreiphasenschnittstelle ist der zentrale Ort für die elektrochemische Reaktion.
Protonenaustauschmembranen:
Sie fungieren als Festelektrolyt, meist eine perfluorsulfonsäurehaltige Membran. Sie isolieren die an Kathode und Anode erzeugten Gase, verhindern den Elektronentransfer und ermöglichen den Protonentransfer.
Funktionsweise der PEM-Wasserelektrolyse
Das Prinzip der Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembran ist in einschlägigen Abbildungen dargestellt. Zu den derzeit häufig verwendeten Protonenaustauschmembranen zählen:
- Nafion® (DuPont),
- Dow-Membran (Dow Chemical),
- Flemion® (Asahi Glass),
- Aciplex®-S (Asahi Chemical Industry),
- Neosepta-F® (Tokuyama).
Vergleich von PEM- und alkalischer Wasserelektrolyse
Im Vergleich zur alkalischen Wasserelektrolyse erfordert das PEM-System keine Entalkalisierung und bietet eine größere Spielraum für die Druckregelung. Während der frühen Kommerzialisierung konzentrierten sich die Kosten für PEM-Systeme hauptsächlich auf die PEM-Zelle selbst.
In der PEM-Wasserelektrolysezelle findet die Elektrolysereaktion in der Membranelektrode statt, die aus der Diffusionsschicht, der Katalysatorschicht und der Protonenaustauschmembran besteht. Sie ist die zentrale Komponente der Elektrolysezelle.
Eine Erhöhung der Betriebsstromdichte kann die Investitionskosten für die Elektrolyseausrüstung senken. Zudem ermöglicht die große Bandbreite an Betriebsstromdichten eine bessere Anpassung an die Schwankungen erneuerbarer Energiequellen, was PEM-Systeme besonders attraktiv für Anwendungen im Bereich der nachhaltigen Energie macht.
Wie man mit dem von einem Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff umgeht
Wie viel Sauerstoff und Wasserstoff ein Elektrolyseur produziert
Die Menge an Sauerstoff und Wasserstoff, die ein Elektrolyseur trennt, hängt von der Größe des Elektrolyseurs und dem durchfließenden Strom ab. Ein Elektrolyseur nutzt Gleichstrom (DC), um Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten.
Dieser Prozess, genannt Elektrolyse, führt dazu, dass die Wassermoleküle in Sauerstoff- und Wasserstoffatome zerfallen. Die Aufspaltung erfolgt im Verhältnis von 2:1 (Wasserstoff zu Sauerstoff nach Volumen), da zwei Wasserstoffatome für jedes Sauerstoffatom entstehen.
Die genaue Menge der erzeugten Gase wird beeinflusst durch:
- Die Größe und Kapazität des Elektrolyseurs.
- Die Menge des durchfließenden Stroms gemäß den Faradayschen Gesetzen der Elektrolyse.
Ein höherer Strom erzeugt eine schnellere Elektrolyse und mehr Wasserstoff und Sauerstoff, wobei das Volumenverhältnis konstant bleibt.
