Effizienz- und Leistungssteigerung von Elektrolyseursystem durch blasenfreie Elektrolyse

Die Elektrolyse ist ein zentraler Bestandteil der zukünftigen Wasserstoffwirtschaft. Geringe Gestehungskosten für Wasserstoff sind eine Grundvoraussetzung für die Marktdurchdringung und schnelle Transformation. Dabei sind insbesondere die Herstellungskosten für die Elektrolyseure und deren Betriebskosten zentrale Kostentreiber. Die blasenfreie Elektrolyse verspricht eine Senkung des Energieverbrauchs um bis zu 15%, verglichen mit der »Proton Exchange Membrane« (PEM) Elektrolyse. Bei der »Proton Exchange Membrane« (PEM) Elektrolyse wird ein Festpolymer-Elektrolyt –die Protonen-Austauschmembran – verwendet, die von Wasser umspült wird. Wird an die Membran elektrische Spannung angelegt, wandern Protonen durch die Membran: An der Kathode entsteht Wasserstoff, an der Anode Sauerstoff.

Die Realisierung einer blasenfreien Elektrolyse stellt einen wesentlichen Beitrag zur Effizienz und Leistungssteigerung von Elektrolyseursystem dar, da die durch die Blasenbildung hervorgerufenen Massentransportverluste und Leistungslimitierungen vermieden werden. Der vorgeschlagene Ansatz einer neuartigen Hohlfaser-verstärkten Membran bietet darüber hinaus die Möglichkeit einer signifikanten Kostenreduktion durch den vereinfachten Aufbau des Elektrolysesystems und einer geringeren Degradation der Einzelkomponenten, was für den effektiven Markthochlauf der Wasserstoffwirtschaft von großer Bedeutung ist.

Im Rahmen des Projekts soll daher das Funktionsprinzip verifiziert und technische Hürden der Skalierung identifiziert werden. Dazu wird ein Demonstrator für eine Elektrolysezelle mit Hohlfaser-Komposit-Membran für die blasenfreie Elektrolyse entwickelt und aufgebaut. Mit diesem Demonstrator sollen Aufbau und Wirkprinzip des neuartigen Konzepts getestet werden. Hierfür werden zunächst Hohlfasern beschafft und Laborversuche für das Einbringen in eine PEM-Membran durchgeführt, z.B. mittels Lamination oder durch Einbetten im Gießverfahren. Die Hohlfasern enthaltende Membran wird mit Katalysator-Material beschichtet. In einer kleinen, extra hierfür zu entwickelnden, Elektrolyse-Versuchszelle wird das Wasser dann durch die Hohlfasern aus dem Inneren der Membran zugeführt. Ziel ist es, die Elektrolysefunktion bei Wasserzufuhr durch die Hohlfasern nachzuweisen. Die Effizienz wird verglichen mit der Wasserstoffproduktion bei Betrieb der Zelle im herkömmlichen Zelldesign mit Wasserzufuhr von der Anodenseite.