Experimentelle und theoretische Untersuchung der Gasreinheit in der druckbetriebenen alkalischen Wasserelektrolyse

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Turek
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391348959

Die Wasserelektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie zur Umwandlung regenerativer elektrischer Energie in chemisch gespeicherte Energie, die in vielfältiger Weise genutzt oder nach Speicherung rückverstromt werden kann. Dabei stellt die alkalische Elektrolyse das zurzeit technologisch reifste und zugleich industriell am meisten verbreitete Verfahren dar. Ein bisher nicht gelöstes und unzureichend verstandenes Problem ist die Verunreinigung der produzierten Gase Wasserstoff und Sauerstoff durch das jeweilige Fremdgas. Insbesondere im Teillastbereich eines Elektrolyseurs können die Fremdgaskonzentrationen so stark ansteigen, dass eine Abschaltung aus Sicherheitsgründen (Explosionsgrenzen) erforderlich wird. Neben dem Sicherheitsaspekt ist zu beachten, dass durch die Verunreinigungen auch der Wirkungsgrad der Elektrolyse sinkt. In bei atmosphärischem Druck durchgeführten Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass nicht wie vielfach angenommen der Transport der Gase durch den Separator, sondern die Lösung der Gase im Elektrolyten und der durch die Zusammenführung der anodischen und kathodischen Elektrolytströme bedingte Transport auf die andere Seite der Zelle den wesentlichen Anteil an den Verunreinigungen hat. Im beantragten Projekt soll nun eine umfangreiche experimentelle und theoretische Studie zur Aufklärung der Einflussfaktoren auf die Produktgasqualität in der druckbetriebenen alkalischen Wasserelektrolyse durchgeführt werden. In den Untersuchungen soll hierfür der Einfluss aller relevanten Prozessparameter wie Stromdichte, Prozessdruck, Temperatur, Elektrolytvolumenstrom, Elektrolytkonzentration und Elektrolytführung berücksichtigt werden. Da die Verunreinigung der Produktgase auf mehrere Teilprozesse (Vermischung der gasgesättigten Elektrolytkreisläufe, Diffusion und Permeation über den Separator) zurückzuführen ist, sind diese getrennt zu analysieren und quantitativ zu bewerten. Für ein besseres Verständnis sind diese Vorgänge zunächst unter stationären Bedingungen zu charakterisieren und darauf aufbauend modellhaft zu beschreiben. Dafür notwendige und in der Literatur bisher unbekannte Stoffparameter sind außerdem durch geeignete Messmethoden experimentell zu ermitteln. Auf Basis der stationären Versuche und der physikalischen Modellierung des Prozesses sollen daraufhin dynamische Prozessführungsvarianten abgeleitet werden, die für eine Steigerung des Zellwirkungsgrades und eine Verbreiterung des Teillastbereiches genutzt werden können. Die Wirksamkeit der dynamischen Methoden ist dann bei konstanter Stromdichte zu überprüfen. Anschließend soll die erhöhte Teillastfähigkeit des Elektrolyseurs durch die Vorgabe eines fluktuierenden Leistungsprofils bewertet werden, wie es typischerweise durch erneuerbare Energiequellen bereitgestellt wird. Zur Unterstützung der Laborversuche und zur Entwicklung von Grundlagen einer weiteren Verbesserung ist zudem das zuvor entwickelte, stationäre Modell auf die dynamische Betriebsweise zu übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen