Niedertemperatur-Elektrolyseure
Elektrolyseure sind elektrochemische Geräte, die mittels Spaltung von Wasser Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen. Durch die Nutzung von erneuerbarem Strom entsteht sogenannter "grüner Wasserstoff". Wasserstoff wird in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung verwendet, aber auch in vielen großen industriellen Anwendungen wie der Chemie-, Stahl- und Düngemittelindustrie. Große Elektrolyseure haben eine Lebensdauer von etwa 80.000 Stunden, jedoch können verschiedene Faktoren wie Wasserverunreinigungen oder eine schnelle Abschaltung diese Lebensdauer verringern. Darüber hinaus kann das Übertreten von Wasserstoff in den Sauerstoffstrom ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Anwendungsfelder
Es gibt hauptsächlich drei Arten von Niedertemperatur-Wasserelektrolyseuren. Die alkalische Elektrolyse (AEL) ist eine seit langem etablierte Technologie, die flüssige alkalische Elektrolyte verwendet, aber aufgrund der niedrigen Stromdichte in ihrem Einsatzbereich eingeschränkt ist.
Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMEL) hingegen benötigen nur hochreines Wasser und können mit hohen Stromdichten arbeiten. Aufgrund der sauren Umgebung erfordert diese Technologie jedoch Edelmetalle als Katalysatoren für die Elektroden, was die Kosten erhöht und das Upscaling begrenzt.
Die Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (AEMEL) ist eine aufstrebende Technologie, die einige der Vorteile der beiden vorherigen Technologien vereint. Der Einsatz einer Membran in dieser Technologie ermöglicht den Betrieb bei hohen Stromdichten, ohne dass Edelmetalle in den Elektroden benötigt werden, da die elektrochemische Umgebung alkalisch ist. Von den beiden ersten Elektrolyseur-Technologien gibt es bereits Systeme im Megawatt-Bereich, die in großen Industrien installiert sind. Die dritte Elektrolyseur-Technologie befindet sich noch in der Entwicklung.
Expertise
Um die Kosten für grünen (das heißt mit Elektrolyseuren aus erneuerbarem Strom erzeugten) Wasserstoff zu senken, müssen die Kosten für den Elektrolyseur gesenkt werden, ohne jedoch die Leistung und Lebensdauer zu beeinträchtigen. Alkalische Elektrolyseure erfordern aktivere, effizientere und stabilere Elektroden, die höhere Stromdichten ermöglichen. Bei PEM-Wasserstoff-Elektrolyse (PEMWE) ist es notwendig, die Menge des in den Elektroden und Schutzbeschichtungen verwendeten Edelmetalls zu reduzieren, um die Kosten zu senken. Schnelle, skalierbare und schrittweise Produktionstechnologien wie die Flammenspray-Pyrolyse ermöglichen die Herstellung von Anodenkatalysatoren mit einer geringeren Menge an Iridium.
Eine weitere Sprühtechnologie beim DLR: durch thermisches Spritzen wird eine makroporöse Titanschicht (MPL) hergestellt und an der Schnittstelle zwischen der porösen Transportschicht (PTL) und der Anodenkatalysatorschicht verwendet. Die MPL schützt nicht nur die PTL aus Edelstahl vor Korrosion, sondern verbessert auch die Leistung und die Lebensdauer der PEMWE. Eine solche MPL aus Nickel anstelle von Titan wird auch in AEMWE verwendet und hat ähnliche Vorteile wie in PEMWE.
Die Degradationsmechanismen werden mit nicht-konventionellen physikalischen Techniken wie der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und der Röntgen-Photoelektronenmikroskopie bei Umgebungsdruck (NAP-XPS) untersucht. Mit AFM ist es möglich, den Verlust von Ionomer in den Elektroden für PEMWE und AEMWE zu bestimmen. NAP-XPS ermöglicht es, die Änderungen der Oxidationszustände der Katalysatoren in der elektrochemischen Zelle zu untersuchen, während sie in einer druckreduzierten Umgebung in Betrieb sind. Die Verwendung von NAP-XPS kann helfen, elektrochemische Reaktionsmechanismen zu bestimmen.