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
Anionenaustauschmembran(AEM)-Elektrolyse
Die Anionenaustauschmembran teilt die Einzelzelle in zwei Halbzellen. Jede Halbzelle besteht aus einer Elektrode, einer Gasdiffusionsschicht und einer Bipolarplatte. Mehrere Einzelzellen werden durch die Bipolarplatte miteinander verbunden und bilden so den AEM-Stack. Diese Anordnung der Halbzellen in einem AEM-Elektrolyseur ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff bei einem Druck von 35 bar bzw. 1 bar. Durch den Druckunterschied zwischen den Halbzellen wird verhindert, dass der erzeugte Sauerstoff in die Hochdruck-Halbzelle übergeht, wodurch eine sehr hohe Reinheit des Wasserstoffs (99,9 %) gewährleistet ist.
Der Wasserelektrolyt, der nur 1 % Kaliumhydroxid (KOH) enthält, zirkuliert ausschließlich in der Anodenhalbzelle und benetzt die Membran, während die Kathodenseite trocken bleibt. Der in der Kathodenhalbzelle erzeugte Wasserstoff hat somit nur einen sehr geringen Feuchtigkeitsgehalt. Daher ist es wichtig zu beachten, dass in der Kathodenhalbzelle kein KOH zu finden ist.
Die Wassermoleküle wandern durch die Membran, werden an der Kathode reduziert und erzeugen so Wasserstoff. Die Stromversorgung aus dem externen Stromkreis wird genutzt, um eine elektrische Potenzialdifferenz an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Elektrode zu erzeugen. Die Potenzialdifferenz treibt dann die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) durch Elektronenübertragung (e-) an:
4H2O + 4e- → 4OH- + 2H2
Der erzeugte Wasserstoff wird anschließend über die Gasdiffusionsschicht an die Ausgangsleitung abgegeben. Geeignete HER-Katalysatoren an der Kathode erleichtern den Prozess, indem sie die Energiebarriere der Reaktion herabsetzen. In der mildalkalischen Umgebung des AEM-Elektrolyseurs kehrt das verbleibende Hydroxidion (OH-) aus der HER über die Membran in die Anodenhalbzelle zurück. Das ausgetauschte OH- ist ein Anion - und dieses gibt der AEM ihren Namen.
Nachdem das OH- zur Anodenseite eines AEM-Elektrolyseurs zurücktransportiert wurde, wird es durch die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) verbraucht:
4OH- → 2H2O + O2 + 4e-
Für je zwei Einheiten Wasserstoff wird eine Einheit Sauerstoff durch Übertragung von vier Einheiten Elektronen erzeugt. Daher kann Konzentration des OH- im Elektrolyten durch ständige Zufuhr von Wasser konstant bleiben, ohne dass mehr KOH zugesetzt wird.
Die OER wird durch die Potenzialdifferenz an den katalytischen Stellen auf der Anode angetrieben und der erzeugte Sauerstoff wird über die Gasdiffusionsschicht zusammen mit dem Elektrolytkreislauf aus der Anodenhalbzelle entfernt.
AEM-Elektrolyse. Grafik: Enapter AG
Der 10-Stack AEM Elektrolyseur
Der 10-Stack Elektrolyseur ist das Ergebnis einer Gemeinschaftsentwicklung der Fa. Enapter zusammen mit der FH-Münster im Rahmen des HY-Core Vorhabens und der Firma Phoenix Contact, Bad Pyrmont. Der Elektrolyseur besteht aus 10 zusammengeschalteten, elektrochemischen Stacks mit Enapters patentierter Anionenaustauschmembran (AEM). Durch angelegten Strom wird eine endotherme chemische Reaktion angetrieben, bei der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt wird. An der Kathode entsteht Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff. Zum Betrieb wird eine temperierte Elektrolytlösung auf Wasserbasis durch die Anlage zirkuliert.
| Nominelle Wasserstoffproduktion | 5 m3/h 10 kg/24 h |
| Ausgangsdruck | Bis zu 35 bar(g) |
| Stromverbrauch pro erzeugtem H2 (Lebensanfang) | 4.8 kWh/m3 |
| H2 Ausgangsreinheit | ~99.8 % |