Grundlagen zur Elektrolyse
Die Wasserelektrolyse ist ein Verfahren, bei dem Wassermoleküle (H2O) durch den Einsatz von elektrischem Strom (e-) in Kationen (H+) und Anionen (O-) gespalten werden. Diese reagieren anschließend an der Kathode zu Wasserstoffmolekülen (H2) und an der Anode zu Sauerstoffmolekülen (O2). Elektrischer Strom kann hierdurch gespeichert und für weitere Anwendungsfälle nutzbar gemacht werden. Wird der Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet, spricht man aufgrund der niedrigen Treibhausgasemissionen von grünem H2.
Die chemische Formel dieser Redox-Reaktion lautet:
2 H2O ⇌ 2 H2 + O2
Funktionsprinzip der Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse
Schema und Prozessschritte bei der Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse
Die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse, auch Proton-Exchange-Membrane-Elektrolyse (PEM-EL) nutzt zur Trennung der Produktgase und Protonenleitung ein festes Kunststoffelektrolyt als Membran und zeichnet sich durch eine dynamische Betriebsweise aus. Diese eignet sich ideal zum Ausgleich der schwankenden Erzeugungsleistung von erneuerbaren Energien wie Photovoltaik und Windenergie. Die Abbildung zeigt den schematischen Aufbau und die Prozessschritte bei der PEM-EL:
- Auf der Anodenseite des Elektrolyseurs wird Wasser (H2O) zugeführt.
- Zersetzung des H2O durch katalytische Edelmetall-Elektrode. Sauerstoff(O2) wird durch Anodenreaktion (oxygen evolution reaction, OER) erzeugt und durch die Gas-Diffusions-Schicht (gas diffusion layer, GDL) freigesetzt.
- Wasserstoff-Kation (H+) aus OER wandert über die Membran in die Kathodenhalbzelle.
- Wasserstoff wird durch Kathodenreaktion (hydrogen evolution reaction, HER) an der Kathode aus H+ erzeugt und über GDL freigesetzt.