Elektrolyseure

 Alkalische Elektrolyse: flüssiger basischer Elektrolyt

 Saure Elektrolyse: polymerer Festelektrolyt

 Hochtemperaturelektrolyse: Festoxid als Elektrolyt.

Der Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs stellt nur ein Bewertungskriterium dar. Weitere wichtige technische Parameter:

• Teillastverhalten: In welchem Arbeitsbereich– bezogenen auf die nominelle H2-Produktionskapazität – kann der Elektrolyseur betrieben werden? Kann der Elektrolyseur für kurze Zeit bei Überlast gefahren werden?

• Dynamik: Wie schnell kann die Elektrolysezelle bzw. das Elektrolysesystem Transienten in der Leistungsaufnahme folgen? Wie groß sind die Totzeiten des Systems, z.B. beim Anfahren / Aufwärmen des Elektrolyseurs oder beim Wechsel von Stand-by in den Betrieb?

• Lebensdauer: Die Lebensdauer wird unterschieden nach Standzeit (kalendarische Lebensdauer), Betriebsstunden und Anzahl der Anfahr-/Abfahrzyklen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass einzelne Komponenten wie z.B. der Zellstapel regelmäßig überholt werden müssen.

• Verfügbarkeit: Wie viele Stunden im Jahr ist der Elektrolyseur nicht betriebsbereit bzw. fällt aufgrund notwendiger Wartungsarbeiten bzw. Reparaturen aus?

• Autarkie: Wie autark kann das System betrieben werden? Welche Betriebsmedien sind notwendig (z.B. Stickstoff zum Spülen, Druckluft zum Steuern von Ventilen etc.).

 Elektroden (4) aus perforierten Blechen mit einer möglichst porösen Oberfläche.

 Elektroden nahe an dem Diaphragma positioniert und elektrisch leitend mit den Endplatten (7) (Einzelzelle) bzw. den bipolaren Trennblechen (Zellstapel) verbunden.

 Zellrahmen (5) dichten die Halbzellen nach außen ab und dienen als Einbettung für das Diaphragma.

 Die Stromquelle (6) wird über die Endplatten kontaktiert.

 Beide Halbzellen sind mit einem alkalischen Elektrolyten (wässrige KOH Lauge mit einer typischen Konzentration von 20 - 40 %).

 Lauge in separaten Tanks, die gleichzeitig als Gas-Flüssig-Separator dienen.

 Alkalische Elektrolysezellen arbeiten in der Regel bei etwa 50 °C - 80 °C mit einer Stromdichte von 200 - 400 mA/cm2. Entsprechende Zellstapel werden derzeit ausschließlich in Filterpressenbauweise realisiert.

 Die Zelle besteht aus einer

- Anode (Sauerstoffproduktion) und einer

-Kathode (Wasserstoffproduktion), welche durch eine

-saure Protonaustauschmembran (PEM, engl.: proton exchange membrane) voneinander getrennt sind.

 MEA (engl.: membrane electrode assembly)

-Katalysatorschicht (Elektrode) auf Kathoden und Anodenseite sowie

-poröse Stromableiter:

*Ermöglichen Stromfluss zu den Elektroden

* für die Produktgase und für Wasser durchlässig.

 Bipolare Platten

-rahmen die beiden Halbzellen ein

- mit einem Flowfield ausgestattet, Verteilung und Transport von Reakanden (Wasser und Gase)

 Die zentrale Systemkomponente ist der Elektrolyseur zur Produktion

des Wasserstoffs.

 Die elektrische Versorgung wird mit einer Leistungselektronik auf die

Anforderungen des Elektrolyseurs angepasst.

 Die Produktgase verlassen den Elektrolyseur mit einem

Wasserdampfanteil, welcher maßgeblich durch den

Sättigungsdampfdruck des Wassers bei den jeweiligen

Betriebsparametern bestimmt wird.

 Durch eine Gastrocknung wird der Wasseranteil für die weiteren

Prozessschritte reduziert.

 Abschließend wird das Produktgas mechanisch auf den

Speicherdruck komprimiert

 Water purification (a water resistivity in the 0.1 1Mohmcm range is required…),  Deionized process water storage in tanks under an inert gaseous atmosphere  Pumped into the anodic process loop at the pressure of operation; energy cost of pressurized water electrolysis.  Liquid water is pumped through both anodic and cathodic compartments and the water/gas biphasic mixtures are separated.  Process gases are purified  Pressures are adjusted  Dehydrogenation of liquid water to be recycled to the feed water tank or to the anodic loop.

 Der atmosphärische Betrieb (a) stellt daher einen Fall des Gleichdruckbetriebs dar.  Durch die Verwendung der Polymermembran ist ein Betrieb mit einem Differenzdruck (b) über der Membran möglich. Üblicherweise liegt dabei der Kathodendruck oberhalb des Anodendrucks. Ein Betrieb mit Druckniveaus der Anodenseite oberhalb der Kathodenseite ist aber technisch möglich.  Beim Gleichdruckbetrieb (c) werden Anoden- und Kathodenraum auf das gleiche Druckniveau gebracht.

• Verunreinigungen in Membranen: Metallkationen, die durch Schläuche freigesetzt werden, wandern zur Kathode, erhöhen die Überspannung und reduzieren die Leistung.

• Irreversible Prozesse: Ungleichmäßige Stromdichte kann Hotspots erzeugen, die Membranen zerstören und das System beschädigen.

• Weitere Mechanismen: Membrandünnung im Alter, Versprödung von Titan (Material der Bipolarplatten) tragen ebenfalls zur Degradation der Stacks bei.

• Steuerungssystem und Balance of Plant (BoP): Schäden durch Wasserstoff und Korrosion, verstärkt durch hohe Temperaturen, Druck, Ströme, Spannungen und die Art der Flüssigkeiten und Gase.

• Folgen der Degradation: Meistens sinkt die Effizienz, was letztlich zu Systemausfällen führt.

• Intermittierender Betrieb als Verstärker:

• Mechanischer Stress durch häufiges Starten/Stoppen, schwankende Durchflussraten und Druckentlastungen.

• Häufige Änderungen von Strom- und Spannungswerten durch schwankende erneuerbare Energiequellen.

• Der Elektrolyseur muss häufige Start- und Stopp-Anforderungen bewältigen können, etwa durch plötzlichen Energieverlust bei Wolkendurchzug (bei PV) oder abnehmender Windgeschwindigkeit.

• Das ist oft nicht mit den Start-Stopp-Anforderungen des Elektrolyseprozesses vereinbar, der je nach Technologie und Anlagengröße mehrere Minuten bis mehrere zehn Minuten dauern kann.

• Die Verzögerung liegt an technischen Anforderungen (z. B. Systemdruckaufbau, Überprüfung der Komponenten) oder Sicherheitsmaßnahmen (langsamer Stromanstieg, Wasserstoffleck-Tests, Sensoraufwärmzeit).

• Der zeitaufwändigste Schritt ist meist die Systempressurisierung (Stacks, Separatoren, Rohrleitungen, Reinigungssystem). Die Dauer hängt vom Arbeitsdruck und dem Systemvolumen ab.

• Beispiel: Ein 5 Nm³/h PEM-Elektrolyseur benötigt etwa 7 Minuten, bis die ersten Wasserstoffmoleküle am Ausgang erscheinen.