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PEM Elektrolyseur / Saurer Elektrolyseur

Im Proton-Exchange-Membran-Electrolyser zu Deutsch Protonen-Austausch-Membran oder auch Polymerelektrolyt-Membran ist eine Technologie zur Herstellung von Wasserstoff durch die Spaltung von Wasser in einem sauren Milieu. Dabei unterscheidet sie sich von der alkalischen Elektrolyse, bei der die Reaktion im basischen Milieu stattfindet. Ein wesentlicher Vorteil der PEM-Elektrolyse liegt in der schnelleren Ionenbeweglichkeit von Wasserstoffionen (H⁺ im Vergleich zu Hydroxidionen (OH^-), was höhere Geschwindigkeiten ermöglicht. Zudem ermöglicht die Technologie eine hohe Wasserstoffreinheit von bis zu 99,999 % und findet in zahlreichen Bereichen Anwendung.

Funktionsprinzip der PEM-Elektrolyse

Das Prinzip der PEM-Elektrolyse beruht auf der Nutzung einer Protonen-Austausch-Membran. Diese semipermeable Membran lässt Protonen (H⁺) hindurch, während der Gasaustausch von Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) verhindert wird. An der Anode wird Wasser durch die katalytische Wirkung von edelmetallbeschichteten Elektroden (Platin, Molybdänsulfid) in Sauerstoff, Elektronen und Protonen aufgespalten. Die Protonen diffundieren durch die Membran zur Kathode, wo sie sich mit Elektronen zu Wasserstoff verbinden. Dabei werden die entstehenden Gase über spezielle Kanalstrukturen gesammelt und aus der Zelle transportiert.

Die Zersetzung des Wassers kann hier mit untenstehenden Reaktionsgleichungen beschrieben werden.

HER (Hydrogen evolution reaction, Wasserstoffbildungsreaktion):	4 H+ + 4 e- ⟶ 2 H2
OER (Oxygen evolution reaction, Sauerstoffbildungsreaktion):	H2O ⟶ 4 H+ + 4 e- + O2

Die Proton-Exchange-Membran ist das Herzstück dieser Elektrolyse-Technologie. Sie besteht aus einem Festpolymer, was Korrosionsfreiheit und geringe Wartungsanforderungen garantiert. Die Elektroden, die in direktem Kontakt mit der Membran stehen, bestehen häufig aus Edelmetallen wie Platin an der Anode und Iridium oder Ruthenium-Oxid an der Kathode. Stromkollektoren gewährleisten die Kontaktierung der Elektroden und leiten den elektrischen Strom. Eine der technologischen Innovationen liegt im Aufbau des PEM-Elektrolyse-Stacks. Dieser besteht aus mehreren Schichten, darunter Elektroden, Stromkollektoren und Dichtungen, die für die hohe Effizienz der Wasserstofferzeugung sorgen.

Unser Partnerunternehmen SHANDONG SAIKESAISI verwendet für seine Systeme eine CCM-Membran (Catalyst-Coated-Membrane), die durch ein patentiertes Heißpressverfahren hergestellt wird. Diese Membran ermöglicht eine stabile, effiziente und langanhaltende Wasserstoffproduktion. Das Design und die Materialien der Elektrolysezellen wurden optimiert, um hohe Stromdichten, geringe Elektrolyse-Spannungen und eine lange Lebensdauer (bis zu 15 Jahre) zu gewährleisten.

Unsere PEM-Elektrolyseure können in einem maßgeschneiderten Containersystem geliefert werden, das eine flexible, sichere und effiziente Lösung für die Wasserstoffproduktion bietet.

Technische Spezifikation (Beispielmodell) Wasserstoff Reinheit bis zu 99,999%; Taupunkt: -65°C Leistungsbereich 50 mL/h bis 260 Nm3/h (modellabhängig) Arbeitstemperatur 5 – 65 °C Startverhalten Schnelles Hochfahren möglich Modularer Aufbau Stack-basierte Skalierung Container-Ausführung Elektrische Steuerung, Kühlung, Sicherheitszonen Überwachung Integrierte Sensorik (Druck, Temperatur, H₂‑Leck, Feuchte) Zertifizierung CE-Zertifikation

Vorteile der PEM-Elektrolyse

• Schnelles Hochfahren – flexibel und schnelle Reaktion bei schwankender Einspeisung (z. B. PV/Wind)
• Hohe Reinheit – bis zu 99,999 %, besonders für Anwendungen in der Elektronikindustrie oder in Wasserstoff-Brennstoffzellen geeignet
• Hohe Effizienz – höhere Beweglichkeit der Protonen im Vergleich zu Hydroxidionen ermöglichen höhere Geschwindigkeiten und Drücke
• Teillastbetrieb tabiler Betrieb ist bereits bei einer Teillast von nur 5 % möglich
• Korrosionsarm und wartungsfreundlich durch Festpolymer-Membran
• Modular und skalierbar – einfache Erweiterung durch zusätzliche Module

Die PEM-Elektrolysesysteme sind modular aufgebaut und werden oft in Containerstrukturen installiert, um eine kompakte und flexible Lösung zu bieten. Der Container ist in verschiedene Räume unterteilt, die separat angeordnet sind, um den Anforderungen an Sicherheit und Explosionsschutz gerecht zu werden. Diese Strukturierung besteht aus einem elektrischen Kontrollraum, einem Elektrolyse-Raum und einem Kühlraum. Jeder Raum ist strikt voneinander getrennt, um eine sichere und effiziente Funktionsweise zu gewährleisten.

Alkalischer Elektrolyseur

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 elektrisch leitende Elektrode wird 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-
OER (Oxygen evolution reaction, Sauerstoffbildungsreaktion):	4 OH- ⟶ 2 H2O + 4 e- + O2

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 durchgelassenen Gase ist nur von den Konzentrationen, nicht aber von den erzeugten Gasmengen abhängig. Daher wirkt sich eine ungewünschte Vermischung der Gase im unteren Teillastbereich stärker aus als im vollen Betrieb.

Unsere alkalischen Elektrolyseure sind in modularen Containersystemen verfügbar und bieten eine kosteneffiziente, robuste und nachhaltige Lösung für die großskalige Wasserstoffproduktion

Technische Spezifikation (Beispielmodell) Wasserstoff Reinheit 99,999%; Taupunkt: -70°C Leistungsbereich 5 Nm3/h bis 2000 Nm3/h Gasfluss-Auslastung Flexibel zwischen 30–100% Arbeitstemperatur 85 °C Arbeitsdruck ≤ 16 bar Installation Einfache Einhausung Kosten Geringe Betriebskosten Zertifizierung CE-Zertifikation

Erforderliche Wasserqualität

Für alle Typen von Elektrolyseuren ist eine gute Wasserqualität Voraussetzung. Basierend auf Ihren Wasseranalysedaten können wir optional eine Wasseraufbereitung in unsere Anlagen integrieren.

Wasserstoffaufbereitung und -trocknung

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. Der Sauerstoff und der Großteil des Wassers wird nach der Elektrolyse in den Wassertank zurückgeführt und durch eine Sauerstoffpumpe aus dem System geleitet. Der Wasserstoff gelangt in einen Wasserstoff-Wasserabscheider zur ersten Trennung von Wasserstoff und einer kleinen Menge Wasser. Nach dieser Primärtrennung wird der Rohwasserstoff in die integrierte Reinigungseinheit des Systems geleitet, die die Trocknung und Reinigung übernimmt.

Diese 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 alternativ aus einer PSA (pressure swing adsorption) zu Deutsch Druckwechseladsorption bestehen kann. Eine solche Anlage besteht aus drei Säulen, die mit Molekularsieben basierend auf Silikat oder Aluminiumoxid gefüllt sind und in einem Drei-Zylinder-Zyklus Feuchtigkeit absorbieren oder regeneriert werden. Das Umschalten von Adsorption zu Regeneration findet durch einen herbeigeführten Temperatur- oder Druckwechsel statt. Durch dieses System wird die Reinheit des Rohwasserstoffs auf bis zu 99,999 % gesteigert. Zudem sind im gesamten System zahlreiche Sensoren wie Druck-, Wasserstoffleckage- und Wasserflusssensoren integriert, die ständig die Betriebsparameter überwachen und einen reibungslosen Betrieb des Generators sicherstellen.

Anwendungen

Die hohe Reinheit des produzierten Wasserstoffs ermöglicht vielseitige Anwendungen:

• Wasserstoff-Brennstoffzellen für Fahrzeuge, Wasserstoffmotoren und stationäre Energiesysteme
• Elektronikindustrie zur Herstellung von Halbleitern und Chips
• Erneuerbare Energien: In Verbindung mit Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen zur Speicherung überschüssiger Energie
• Kernkraftwerke: Zur Kühlung und Reduktion in thermonuklearen Generatoren
• Chemische Industrie: Wasserstoff für chemische Reaktionen, z.B. in der Ölverarbeitung
• Medizin: Verwendung von Wasserstoffmolekülen in der medizinischen Forschung
• Militär: Unterstützung von Brennstoffzellen in militärischen Anwendungen wie U-Booten oder Wettersensoren
• Ammoniakerzeugung: Der generierte Wasserstoff eignet sich zur Ammoniakproduktion, welches als Wasserstoffträger, Transporte in größeren Mengen erleichtert. Dieser kann anderorts unter Zuhilfenahme eines Ammoniak Crackers leicht wieder in Wasserstoff aufspalten werden.

Die Elektrolyse-Technologie bietet eine vielversprechende Grundlage für die zukünftige Wasserstoffwirtschaft, die von Politikern und Strategen als Schlüsseltechnologie für die nachhaltige Energieversorgung im 21. Jahrhundert gesehen wird. Der Zugang zu Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen macht ihn zu einer nahezu unerschöpflichen und umweltfreundlichen Energiequelle.

Crystec freut sich darauf, für Sie eine kostengünstige Anlage aufzubauen, die Ihren strengsten Anforderungen entspricht.