Experimental and theoretical investigation of gas purity in pressurized alkaline water electrolysis
Final Report Abstract
Innerhalb dieses Projekts wurde die Gasreinheit in der druckbetriebenen alkalischen Wasserelektrolyse sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Da für die theoretische Analyse der Gasreinheit eine genaue Kenntnis der Stoffdaten der vorkommenden Komponenten erforderlich ist, wurde im Arbeitspaket 1 eine experimentelle Bestimmung der Gaslöslichkeit von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Elektrolyten Kalilauge durchgeführt. Die Gaslöslichkeit wurde hierbei elektrochemisch mit Hilfe einer rotierenden Scheibenelektrode ermittelt. Grundsätzlich war die Ermittlung der Gaslöslichkeit unter atmosphärischen Bedingungen erfolgreich und es wurden ähnliche Größenordnungen wie in der Literatur erreicht. Als Resultat konnte die am besten passende Korrelation aus der Literatur für die weiteren Berechnungen verwendet werden. Aufgrund des herausfordernden Aufbaus einer rotierenden Scheibenelektrode unter einem erhöhten Betriebsdruck, konnten leider keine Messungen unter erhöhtem Druck durchgeführt werden. Dafür wurde der Einfluss des Separators auf die Gasreinheit in Zusammenarbeit mit der Firma AGFA-Gevaert N.V. und weiteren europäischen Forschungsinstituten anhand von kommerziellen und vorkommerziellen Materialien im Druckbetrieb untersucht. Dabei wurden die ohmschen Spannungsverluste, welche auf den Separator zurückzuführen sind, ebenfalls betrachtet. Innerhalb vom Arbeitspaket 2 wurde die Produktgasqualität im Druckbetrieb experimentell untersucht. Diese Studie hat gezeigt, dass die Gasreinheit mit steigendem Druck sinkt und daher ein sicherer und effizienter Betrieb schwieriger umzusetzen ist. Im Arbeitspaket 3 wurde die stationäre Modellierung des Druckelektrolysesystems um die erhaltenden experimentellen Ergebnisse im Druckbetrieb ergänzt. Hierbei hat sich herausgestellt, dass neben der Gasentwicklungseffizienz ebenfalls ein Verstärkungsfaktor für den diffusionsgetriebenen Stofftransport der gelösten Produktgase durch den Separator eingeführt werden muss, um die experimentellen Ergebnisse mit dem Modell nachstellen zu können. Innerhalb von Arbeitspaket 4 wurden Experimente zur Entwicklung von dynamischen Prozessführungsvarianten durchgeführt. Der Hauptfokus lag hierbei auf dem Einsatz von synthetischen fluktuierenden Lastprofilen von erneuerbaren Energien und der zeitlichen Variation der Elektrolytführungskonzepte. Im Arbeitspaket 5 wurde das bestehende Modell für den dynamischen Einsatz erweitert, wodurch alle Bilanzgleichungen nun eine zeitliche Abhängigkeit aufweisen. Ebenfalls besitzen nun die jeweiligen Apparatevolumina einen Einfluss auf die Ergebnisse, da diese die zeitlichen Verläufe innerhalb der Akkumulationsterme beeinflussen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass die stationär ermittelten Gasverunreinigungen nicht vollständig zur Validierung des dynamischen Modells geeignet sind und eine dynamische Validierung erforderlich ist, da sowohl Zeit eingespart als auch die Genauigkeit des Modells gesteigert werden kann.
Publications
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2018. Hydrogen Crossover in PEM and Alkaline Water Electrolysis: Mechanisms, Direct Comparison and Mitigation Strategies. Journal of The Electrochemical Society 165, F502–F513
Trinke, P., Haug, P., Brauns, J., Bensmann, B., Hanke-Rauschenbach, R., Turek, T.
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2020. Alkaline Water Electrolysis Powered by Renewable Energy: A Review. Processes 8, 248
Brauns, J., Turek, T.
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2020. Modeling the Dynamic Power‐to‐Gas Process: Coupling Electrolysis with CO2 Methanation. Chemie Ingenieur Technik
Kreitz, B., Brauns, J., Wehinger, G.D., Turek, T.
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2021. Battery‐Buffered Alkaline Water Electrolysis Powered by Photovoltaics. Chemie Ingenieur Technik 93, 655–663
Becker, M., Brauns, J., Turek, T.
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2021. Evaluation of Diaphragms and Membranes as Separators for Alkaline Water Electrolysis. J. Electrochem. Soc. 168, 014510
Brauns, J., Schönebeck, J., Kraglund, M.R., Aili, D., Hnát, J., Žitka, J., Mues, W., Jensen, J.O., Bouzek, K., Turek, T.
