In den letzten Jahren wurden Forschungen zuhocheffiziente, kostengünstige Wasserelektrolyseurehat große Aufmerksamkeit erlangt, da die großtechnische Produktion und Nutzung von Wasserstoff für die Verbesserung der Belastbarkeit von erneuerbaren Stromerzeugungs- und -übertragungssystemen von entscheidender Bedeutung ist. Derzeit ist die gängigste Methode zur Wasserstoffproduktion die Dampfreformierung von Methan oder anderen Kohlenwasserstoffen, aber dieser Prozess erzeugt erhebliche Kohlendioxidemissionen. DaherWasserelektrolyseuredie Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen überelektrochemische Wasserspaltungsind zu einem Hotspot der Forschung geworden.
Unter Hochtemperatur-Betriebsbedingungen (700–950°C)Festoxiddampfelektrolyseure (SOECs)wurden im Labor- und Pilotmaßstab entwickelt und verifiziert (siehe Abbildung 1). Die hohe Betriebstemperatur vonSOECsermöglicht den Betrieb bei relativ niedrigen Zellspannungen mit nahezu keinen kinetischen Einschränkungen und erreicht nahezu 100 %Elektrolyse-Wirkungsgrad mit hohem Heizwert (HHV)bei einer Stromdichte von etwa 1 A/cm². Der Hochtemperaturbetrieb bringt jedoch auch viele Herausforderungen mit sich, wie z. B. lange Start- und Abschaltzeiten, schnelle Degradation durch Hochtemperatur-Interdiffusion von Zellkomponenten und Vergiftung durch Korrosionsprodukte, wasSOECshaben Schwierigkeiten bei der Markteinführung.
Probleme mit Alkali- undPEM-Elektrolyseure
Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWEs) nutzenProtonenaustauschmembranen (PEM)und Ionomere in den Elektroden, was einen Betrieb ohne zirkulierende flüssige Elektrolyte ermöglicht. In dieser Konfiguration stehen sowohl die Anode als auch die Kathode in direktem Kontakt mit dem nichtporösenPEM, wodurch eine kompakte Zellanordnung (Zero-Gap-Design) entsteht (siehe Abbildung 3). Dieses Design ermöglichtPEMWEsbei Stromdichten von etwa 2 A/cm² zu arbeiten.
Darüber hinaus ist die porenfreie Membran inPEMWEsunterstütztDifferenzdruckbetrieb, wodurch die Erzeugung von Wasserstoff unter hohem Druck an der Kathode und die Erzeugung von Sauerstoff unter atmosphärischem Druck an der Anode ermöglicht wird. Dadurch wird die Notwendigkeit einer sekundären mechanischen Kompression zur Wasserstoffspeicherung reduziert. Trotz dieser Vorteile sind die hohen Kosten fürElektrokatalysatoren(wie Iridiumoxid und Platin) sowie korrosionsbeständige Stromkollektoren und Bipolarplatten, die in sauren Umgebungen verwendet werden, können zu limitierenden Faktoren für Großsysteme werden. Dies gilt insbesondere, wenn die Stapelgröße zunimmt und diese Komponenten erheblich zu den Gesamtsystemkosten beitragen. BeideAWEsUndPEMWEsgelten als ausgereifte Technologien und werden je nach spezifischen Anwendungsanforderungen kommerziell eingesetzt.
Bei niedrigen Betriebstemperaturen (unter 100°C)alkalische Wasserelektrolyseure (AWEs)sind eine ausgereifte Technologie.AWEsVerwenden Sie eine wässrige Lösung mitKaliumhydroxid (KOH)als flüssiger Elektrolyt und sind ausgestattet mitporöse Trennmembranen(siehe Abbildung 2). Es gibt umfangreiche Forschungsarbeiten zur Entwicklung vonPlatingruppenmetall (PGM)-freie Elektrokatalysatorenfür Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklungsreaktionen (dhWasserstoffentwicklungsreaktion (HER)UndSauerstoffentwicklungsreaktion (OER)). Die aktuelle Forschungsrichtung konzentriert sich auf Designs wie Nullspaltkonfigurationen zur Erhöhung der Stromdichte oder des Betriebsdrucks.AWEshaben relativ niedrige Wasserstoffproduktionsraten, typischerweise etwa 200 mA/cm² bei einer Zellspannung von 1,8 V.
Funktionsprinzipien des AEM-Elektrolyseurs
Wasserelektrolyseure mit Anionenaustauschmembranen (AEMWEs)arbeiten in alkalischer Umgebung und könnenPlatingruppenmetall (PGM)-freie Katalysatoren. DerAnionenaustauschermembran (AEM)ist ein nicht-poröses, Wasserstoffoxid-leitendes Polymer mit festen, positiv geladenen Funktionsgruppen an seinen Haupt- oder Seitenketten, das Nulllückenkonfigurationen und den Betrieb bei Differenzdruck ermöglicht (siehe Abbildung 4).
Die allgemeine Reaktion inAEMWEsbeinhaltet die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER). Wasser oder alkalischer flüssiger Elektrolyt zirkuliert durch die Kathode, wo Wasser durch Zugabe von zwei Elektronen (H₂O + 2e⁻ → H₂ + OH⁻) zu Wasserstoff und Hydroxidionen reduziert wird. Die Hydroxidionen diffundieren durch dieAEMzur Anode, während Elektronen über den externen Stromkreis zur Kathode übertragen werden. An der Anode rekombinieren Hydroxidionen zu Sauerstoff und Wasser und erzeugen zwei Elektronen (2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻). Wasserstoff- und Sauerstoffgase bilden sich als Blasen an den HER- und OER-Katalysatoroberflächen. Ähnlich wiePEMWEs, Dieporenfreie MembranZero-Gap-Konfiguration vonAEMWEsermöglicht eine schnelle Wasserstoffproduktion und reduziert den Bedarf an mechanischer Kompression zur Wasserstoffspeicherung.
Es ist bemerkenswert, dassAEMWEsvereinen die Vorteile vonAWEs(PGM-freie Katalysatoren) undPEMWEs(Nullspaltkonfigurationen und nichtporöse Membranen). InteressanterweisePEMWEs, die ausschließlich Polymerelektrolyte verwenden,AEMWEsverwenden auch flüssige Elektrolyte (wie KOH- oder K₂CO₃-Lösungen).
Neuere Modellstudien legen nahe, dass die Zugabe von flüssigem Elektrolyt nicht nur dieOhmscher Widerstandder Membran- und Katalysatorschicht, sondern verbessert auch die Reaktionskinetik. Durch Zugabe von flüssigem Elektrolyt zur Zelle erhöht sich der lokale pH-Wert an der Katalysator-Elektrolyt-Grenzfläche, wodurch eine zusätzliche elektrochemische Grenzfläche entsteht. IndustrielleAEMWEsmitNickel-basierte Katalysatorenin 1 M KOH-Lösung erzeugen Wasserstoff bei einer Spannung von 2 V und einer Stromdichte von 1,8 A/cm² und erreichen damit eine Leistung, die mit herkömmlichen vergleichbar istPEMWEsbei atmosphärischem Druck. Aufgrund der geringen Kosten vonKatalysatorenund Hardware sowie die anwendbare Nullspaltkonfiguration und der Differenzdruckbetrieb,AEMWEsgewinnen zunehmendes Interesse an der Wasserstoffproduktion.
Haltbarkeitsprobleme bei AEM-Elektrolyseuren
Die größte technische HerausforderungAEMWEs(Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers) in kommerziell nutzbaren Systemen ist ihreHaltbarkeitHaltbarkeit inAEMWEsbezieht sich im Allgemeinen auf die Lebensdauer des Geräts. In den frühen Phasen desLass uns aufstehenEntwicklung war die Messung der Haltbarkeit relativ einfach, da die Lebensdauer der Zelle kürzer war (weniger als 500 Stunden). Da jedoch haltbarereAEMWEsentwickelt werden, ist die Messung ihrer Lebensdauer komplizierter geworden.
Es ist wichtig zu beachten, dass der Betrieb einer Zelle über 10.000 Stunden mehr als ein Jahr dauert. Daher ist die Haltbarkeit vonAEMWEswird typischerweise durch Messen der Spannungsänderungsrate in Langzeittests (100-1000 Stunden) oder durch Verwendung beschleunigter Belastungstests (AST) unter beschleunigten Degradationsbedingungen (wie höheren Betriebstemperaturen und hohen Stromdichten) bewertet. Es ist jedoch zu beachten, dass Langzeittests mit Spannungsänderungsraten und Lebensdauertests unter AST-Bedingungen die Haltbarkeit vonAEMWEs, da die Lebensdauer der Zelle von mehreren Degradationsarten beeinflusst wird und oft durch katastrophale Ausfälle begrenzt wird. Daher ist es weiterhin notwendig, die Zelle kontinuierlich unter normalen Betriebsbedingungen zu betreiben, um ihre tatsächliche Lebensdauer zu erreichen.
Obwohl die Stacklebensdauer von kommerziellenProtonenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (PEMWEs)liegt bei 20.000 bis 60.000 Stunden, die berichtete Lebensdauer der meistenAEMWEsbeträgt etwa 3.000 Stunden. Darüber hinausAEMWEswerden unter atmosphärischen Druckbedingungen getestet.
