Wasserelektrolyse

PEM-Elektolyse

Im Rahmen der Power-To-Gas Konzepte stellt die Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe der PEM- Elektrolyse eine der wichtigsten Schlüsseltechnologien für die zukünftige Energiegewinnung dar. Das Verfahren stellt quasi eine Umkehrung der Brennstoffzellenfunktion dar. Die Wasserelektrolyse basiert auf der Zerlegung des Wassers in die Grundbestandteile H2 und O2 durch elektrochemische Reaktionen welche durch das Anlegen einer elektrischen Spannung initiiert werden. Die protonenleitende Membran stellt dabei als hochfunktioneller Separator die entscheidende Kernkomponente dar. Durch die funktionellen chemischen Seitengruppen innerhalb der Polymermatrix werden die H+-Ionen von der Anode durch die Membran zur Kathode transferiert. Dort rekombinieren diese Protonen mit den über einen elektrischen Leiter ebenfalls zur Kathode abgeleiteten Elektronen zum hochreinen Wasserstoff. Gleichzeitig wird der entstandene Sauerstoff auf der Anodenseite abgetrennt und kann ebenfalls in sehr reiner Form gespeichert oder direkt verwendet werden.

Anodenreaktion          H2O → 2 H+ + 0,5 O2 + 2 e-

Kathodenreaktion       2 H+ + 2 e- → H2

In der Gesamtbilanz werden also bei der Zerlegung des Wassers pro Wassermolekül ein Molekül H2 und 0,5 Moleküle O2 gebildet.

Durch die PEM-Wasserelektrolyse werden hohe Stromdichten erzielt, dies basiert u. a. auf der hohen Protonenleitfähigkeit der zum Einsatz kommenden Membranen. FUMATECH BWT GmbH bietet in diesem Anwendungssegment verschiedene gewebeverstärkte Membranen an. Diese sind gekennzeichnet durch eine exzellente Protonenleitfähigkeit und geringen Cross-Over der Reaktanden. Hinzu kommt eine hohe chemische und mechanische Beständigkeit. Insbesondere durch die Gewebeverstärkung ist ein Einsatz der Membranen unter erhöhtem Betriebsdruck möglich. Die hohe Stabilität der Membranen unterstützt die Langlebigkeit des gesamten Elektrolysesystems.


Alkalische-Elektrolyse

Die alkalische Elektrolyse ist bereits ein großtechnisch etabliertes Verfahren. Der mittels dieses Verfahrens erzeugte Wasserstoff zeichnet sich durch seine hohe Reinheit aus und wird aus diesem Grunde auch vorwiegend in der chemischen Prozesstechnik eingesetzt. Aber gerade auch für die zukünftige Energiewirtschaft stellt dieses Verfahren zur Wasserstoffgewinnung ein attraktives zusätzliches Tool dar. Die Anwendung einer funktionellen Membran für die hocheffiziente Transferierung von OH- - Ionen erfährt in dieser Applikation eine in den letzten Jahren stetig gestiegene Nachfrage. Die Ansprüche an die zur Verwendung kommenden Membranmaterialien bezüglich chemischer Stabilität sind dabei sehr hoch. Zum Einsatz kommt eine bis zu 40 %-ige KOH-Lösung. Die Einsatztemperatur der industriellen Anlagen liegt teilweise über 80 °C und es ist geplant die Betriebsdrücke zukünftig bis auf etwa 30 bar anzuheben.

In der alkalischen Elektrolysezelle wird das Wasser an der Kathode in H2 und OH- gespalten.

Die elektrochemischen Abläufe in der Zelle stellen sich dabei wie folgt dar:

Kathodenreaktion       2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH-

Anodenreaktion          2 OH- → 0,5 O2 + H2O + 2 e-

In der Gesamtbilanz werden also aus einem Molekül Wasser jeweils ein Molekül Wasserstoff und ein Teilchen Sauerstoff gewonnen.

Die FUMATECH BWT GmbH bietet für den Einsatz in der alkalischen Elektrolyse sowohl freitragende als auch gewebeverstärkte Membranen mit hoher Leitfähigkeit und geringem H2-Cross-Over an. Gerade die reduzierte Wasserstoffpermeabilität stellt einen wichtigen Nutzen bei der Effizienzgewinnung des gesamten Elektrolysesystems dar.

 

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