2 H2 + 4 OH-
2 H2O + 4 e- + O2
Elektrolyseur, Elektrolysator, für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff.
Elektrolyseur, Wasserstoffgenerator
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Ein Elektrolyseur oder auch Elektrolysator wird für die Herstellung von hochreinem Wasserstoff genutzt. Hierbei wird durch die Zuführung elektrischen Stroms eine chemische Zersetzung (Dissoziation) von Wasser (H2O) zu Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) erreicht. Da ausschließlich erneuerbare Rohstoffe zur Herstellung benötigt werden, handelt es sich bei Elektrolyseuren um eine grüne Technologie. Diese Technologie eignet sich durch die hohe Wasserstoff Reinheit von 99,999% ideal zur Versorgung von Brennstoffzellen. Eine Wasserstoff-Versorgung vor Ort in verschiedenen Größen ist möglich. Das entstehende Gas muss getrocknet werden. Dies Trocknung ist bereits in unsere Anlagen integriert.
Bei der Wasserelektrolyse kann man zwischen Alkalischer- und PEM-Elektrolyse unterscheiden:
Bei der alkalischen Elektrolyse (AEL) sind die Elektroden aus Metall gefertigt und weisen eine sehr hohe Langzeitstabilität auf. In der Regel kommen dimensionsstabile Anoden (DSA) aus Eisen oder Titan zum Einsatz. Auf diese elektisch leitende Elektrode wirde eine poröse
Katalysatorschicht mit großer Oberfläche aufgebracht genannt ECSA (Electrochemical active surface area) zu Deutsch elektrochemisch aktive Oberflächenschicht.
Diese kann zum Beispiel aus Edelmetall-Oxid oder Raney-Nickel bestehen. Als Membran wird ein permeables Diaphragma verwendet.
Bei früheren Aufbauten, dem so genannten cell gap Aufbau wurden die Elektroden mit etwas Abstand zur Membran befestigt, um ein Entweichen des entstehenden Gases zu ermöglichen. Der Abstand variierte dabei zwischen wenigen Zentimetern und Millimetern. Bei modernen AEL-Elektrolyseuren kommt dagegen der zero gap Aufbau zum Einsatz.
Hier werden die Elektroden direkt auf die Membran gesetzt, um den elektrischen Widerstand zu verringern und größere Stromdichten zu ermöglichen. Das entstehende Gas entweicht bei diesem Aufbau durch Poren in den Elektroden. Auch bei diesem Aufbau ist ein flüssiger Elektrolyt notwendig.
Mit dieser Methode sind deutlich höhere Gasströme als beispielsweise bei einer PEM Elektrolyse realisierbar. Ein alkalischer Elektrolyseur empfiehlt sich also insbesondere für sehr große Anlagen.
Die Geschwindigkeit der Reaktion hängt dabei vor allem von 2 Faktoren ab. Je höher die Temperatur ist, desto schneller ist die Reaktion und desto weniger Spannung wird benötigt.
Auf der anderen Seite sind zu hohe Temperaturen schwer zu handhaben. Deshalb arbeiten unsere Anlagen bei einer Temperatur von ca. 85° C.
Als zweites wird die Geschwindigkeit durch die Art der verwendeten Ionen im Elektrolyt beeinflusst. Dabei zeigt Kalium eine deutlich bessere Ionenbeweglichkeit als beispielsweise Natrium.
Durch die Zugabe von Kalilauge (KOH; Kaliumhydroxid-Lösung) wird ein Elektrolyt erzeugt, der deutlich besser leitet als Wasser. Dadurch wird eine schnelle Gasabscheidung an den Elektroden erreicht.
Die Aufspaltung von Wasserstoff findet also im basischen Milieu statt und kann durch folgende Reaktionsgleichung beschrieben werden:
| HER (Hydrogen evolution reaction, Wasserstoffbildungsreaktion): |
4 H2O + 4 e- 2 H2 + 4 OH-
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| OER (Oxygen evolution reaction, Sauerstoffbildungsreaktion): |
4 OH- 2 H2O + 4 e- + O2
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Die Elektroden werden durch eine permeable Membran (Diaphragma) getrennt. Diese ermöglicht den Transport von Hydroxid-Ionen (OH-), verhindert aber den Austausch der entstehenden Gase Sauerstoff und Wasserstoff sowohl in gelöster Form als auch in Form von Gasblasen. Um die Diffusion von Ionen in wässriger Lösung zu ermöglichen, muss die Membran hydrophile Eigenschaften aufweisen. Dies wird heutzutage durch eine Kombination von hydrophoben organischen Kunstoffen wie PTFE oder Polysulfon als Trägermaterial und hydrophiler Keramik wie Kaliumtitatnat oder Zirkoniumoxid erreicht. Solche Membrane sind chemisch und mechanisch stabil und ermöglichen eine FÜllung der Poren mit Elektrolyt. Durch das Anlegen einer Gleichspannung entsteht an der Anode Sauerstoff und an der Kathode Wasserstoff.
Die alkalische Wasserstoff-Produktionstechnologie ist ausgereift und zeichnet sich durch geringe Herstellungskosten aus. Aktuell ist mit unseren alkalischen Elektrolyseuren eine Wasserstofferzeugung von 5 Nm3/h-2000Nm3/h möglich. Der Arbeitsdruck einer solchen Anlage liegt bei ≤16 bar. Ein Teillastbetrieb von 30-100% ist möglich. Die trennende Membran ist nicht perfekt. Der Anteil der durchgelasenen Gase ist nur von den Konzentationen , nicht aber von den erzeugten Gasmengen abhängig. Daher wirkt sich eine ungewünschte Vermischung der Gase im unteren Teillastbereich stärker aus also im vollen Betrieb.
| Alkalischer Elektrolyseur (SinoHy) | |||
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Im Proton-Exchange-Membran-Electrolyser zu Deutsch Protonen-Austausch-Membran oder auch Polymerelektrolyt-Membran wird im Unterschied zur alkalischen Elektrolyse im sauren Milieu gearbeitet. Daher wird dieser auch als saurer Elektrolyseur bezeichnet. Da die Ionengbeweglichkeit von Wasserstoffionen (H+) höher ist als die von Hydroxidionen (OH-), können hier höhere Geschwindigkeiten als bei der alkalischen Elektrolyse realisiert werden. Die Zersetzung des Wassers kann hier mit untenstehenden Reaktionsgleichungen beschrieben werden.
| HER (Hydrogen evolution reaction, Wasserstoffbildungsreaktion): |
4 H+ + 4 e- 2 H2
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| OER (Oxygen evolution reaction, Sauerstoffbildungsreaktion): |
H2O 4 H+ + 4 e- + O2
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Die Anode besteht in der Regel aus mit Platin (Pt) oder Molybdänsulfid beschichtetem Kohlenstoff; die Kathode aus Iridium oder Ruthenium-Oxid. Als Elektrolyt wird ein Festpolymer verwendet. Dadurch findet keine Korrosion statt und eine einfache Wartung ist möglich. Das Kernstück dieser Methode stellt die Polymermembran (Protonen-Austausch-Membran) dar. Dabei handelt es sich um eine semipermeable also halbdurchlässige Membran, die den Transport von Protonen ermöglicht aber den Austausch von Gasen wie Sauerstoff und Wasserstoff verhindert. Bei diesem Verfahren wird destilliertes Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. An die Elektroden wird eine Spannung angelegt und Wasser auf Anodenseite zugefügt. Durch die katalytische Wirkung des Edelmetalls wird Wasser an der Anodenseite zersetzt. Dabei entstehen Sauerstoff (O2), freie Elektronen und Wasserstoff-Ionen. Die H+-Ionen diffundieren durch protonendurchgängige PEM Membran zur Kathode und werden dort zu Wasserstoff umgesetzt. Die Kontaktierung der Elektroden funktioniert dabei durch Stromkollektoren. Die entstehenden Gase werden mittels einer Kanalstruktur gesammelt und aus der Zelle getragen.
Im Vergleich hat die PEM-Technologie zur Wasserstofferzeugung die Vorteile schneller Anlauf, keine Korrosion, einfache Wartung, weniger Komponenten und höherer Stromdichten. Es können höhere Drücke als bei der alkalischen Elektrolyse realisiert werden und ein Teillastbetrieb ab 5% ist bereits möglich da eine Vermischung besser verhidert wird als bei einem Diaphragma. Hohe Herstellungskosten sind die Haupteinschränkungsfaktoren der PEM-Wasserstoffproduktion Technologie.
| PEM Elektrolyseur (SinoHy) | |||
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Für alle Typen von Elektrolyseuren ist eine gute Wasserqualität Voraussetzung. Basierend auf Ihren Wasseranalysedaten können wir optional eine Wasseraufbereitung in unsere Anlagen integrieren.
Sowohl nach der alkalischen Elektrolyse, als auch nach der PEM Elektrolyse, befindet sich Restfeuchtigkeit im entstehendem Wasserstoffgas. Die notwendige Trocknung ist bereits in unseren Anlagen integriert. Eine Gastrocknung lässt sich durch Abkühlung des Gases sowie durch einen Wechseladsorptions-Trockner erreichen. (SAD; Swing Adsorption Dryer), die aus einer TSA (Temperature swing adsorption) zu Deutsch Temperaturwechseladsorption oder PSA (pressure swing adsorption) zu Deutsch Druckwechseladsorption bestehen kann. Eine solche Anlage besteht aus zwei Säulen, die mit Molekularsieben basierend auf Silikat oder Aluminumoxid gefüllt sind und abwechselnd Feuchtigkeit absorbieren oder regeneriert werden. Das Umschalten von Adsorption zu Regeneration findet durch einen herbeigeführten Temperatur- oder Druckwechsel statt.
Crystec freut sich darauf, für Sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.
