Einfluss von mehrphasigen Stoff- und Energietransportprozessen auf die Wasserelektrolyse in Polymer-Elektrolyt-Membran-Zellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Richard Hanke-Rauschenbach; Professor Dr.-Ing. Kai Sundmacher
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267031803

Mit der weiteren Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien im Energieversorgungsnetz wird das Aufkommen an überschüssiger Elektroenergie weiter zunehmen. Dem Prozess der Wasserelektrolyse wird in diesem Kontext eine Schlüsselrolle zugesprochen. Diese erlaubt die Wandlung überschüssiger Elektroenergie in Wasserstoff, welcher entweder gespeichert und rückverstromt oder direkt in der chemischen Industrie stofflich genutzt werden kann. Neben der konventionellen alkalischen Wasserelektrolyse werden seit einiger Zeit Elektrolyseure auf Basis von Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM) diskutiert, mit denen sich das vorliegende Projekt näher befasst. Die Vorteile der PEM-Elektrolyseure im Vergleich zu den alkalischen Systemen liegen insbesondere in den höheren erreichbaren Stromdichten, im hohen Spannungswirkungsgrad und in der hohen Lastflexibilität. Nachteile ergeben sich momentan durch die geringere technische Reife, eine geringere Lebensdauer und höhere spezifischen Kosten. Die Ursache für die höheren Kosten der PEM-Systeme ist neben teureren Materialien vor allem die gegenwärtig zu kleine Dimension der Einzelzellen, aus denen der Elektrolyseur aufgebaut ist. Die Voraussetzung für eine weitere Steigerung der Einzelzellflächen ist ein umfassendes Verständnis der im PEM-Elektrolyseur unter zweiphasigen Bedingungen ablaufenden Stoff- und Energietransportprozesse. Deren Beherrschung ist insbesondere bei Zellen großer örtlicher Ausdehnung von entscheidender Bedeutung für die Optimierung der Prozessführung und der Gestaltung der Elektrolysezellen. Die Zielsetzung des beantragten Vorhabens ist es daher, die Wirkung der unter zweiphasigen Bedingungen ablaufenden Stoff- und Energietransportprozesse auf das Betriebsverhalten von PEM-Elektrolyseuren aufzuklären und zu quantifizieren. Das Arbeitsprogramm umfasst (1) die experimentelle Charakterisierung und modelltheoretische Beschreibung der lokalen Transportprozesse in den porösen Stromleitern, den Katalysatorschichten sowie der Elektrolytmembran, (2) die experimentelle Charakterisierung der Transportprozesse unter zweiphasigen Bedingungen in den anodischen Strömungskanälen des Elektrolyseurs, sowie (3) die Untersuchung der Kopplung der Transportprozesse in Kanalrichtung und senkrecht zur Kanalrichtung und deren Wirkung auf das Betriebsverhalten der Gesamtzelle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Karel Bouzek