Gas crossover in polymer electrolyte membrane water electrolysis: experimental studies on hydrogen and oxygen crossover and improved mitigation strategies

Abstract

Für die Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit der Polymerelektrolytmembran-Wasserelektrolyse (PEM-WE) für die nachhaltige Wasserstoffproduktion, müssen diese sicher und effizient betrieben werden und eine hohe Langlebigkeit aufweisen. Der Crossover der Produktgase Wasserstoff und Sauerstoff durch die Membran wirkt sich auf jede dieser Anforderungen aus, weshalb ein ganzheitliches Verständnis dieses Phänomens notwendig ist, um Lösungs- oder Vermeidungsstrategien zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Crossover von Sauerstoff und Wasserstoff experimentell untersucht.

Im ersten Teil der Arbeit wird die Untersuchung von Gestaltungs- und Betriebsparametern auf den Wasserstoff-Crossover vertieft, was insbesondere für den sicheren Betrieb und die Effizienz relevant ist. Dabei stellt sich heraus, dass sich eine starke Zellkomprimierung zwar positiv auf das elektrische Betriebsverhalten auswirkt, jedoch gleichzeitig der Wasserstoffverlust durch Crossover erhöht wird. Dies wird damit erklärt, dass der Übergang von gelösten Wasserstoff in den gasförmigen Zustand mit zunehmender Komprimierung gehemmt wird, wodurch die gelöste Wasserstoffkonzentration zunimmt und schließlich die Triebkraft für den Wasserstoff-Crossover verstärkt wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich der funktionelle Zusammenhang zwischen dem Wasserstoff-Crossover und der Stromdichte bei hohen Stromdichten anders verhält, als es aus gängigen Modellansätzen zu erwarten ist.

Im zweiten Teil liegt der Fokus auf der Quantifizierung des Sauerstoff-Crossovers, da dieser Materialdegradation auslöst und somit die Langlebigkeit des Elektrolyseurs verringert. Um die Rekombination von Sauerstoff und Wasserstoff zu vermeiden, werden Platin-freie Katalysatoren an der Kathode eingesetzt. Es wird gezeigt, dass mit rekombinationsträgen Katalysatoren mehr Sauerstoff im Kathodenproduktgas nachgewiesen wird. Allerdings ist dennoch davon auszugehen, dass ein unbekannter Anteil vom permeierten Sauerstoff rekombiniert, wodurch die Quantifizierung des tatsächlichen Sauerstoff-Crossovers nach wie vor eine Herausforderung bleibt.

Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Gestaltung einer Rekombinationszwischenschicht aus Platin in der Membran, mit welcher der Wasserstoffanteil im Anodengas gezielt reduziert wird und somit die Bildung von explosiven Gasgemischen vermieden wird. Es zeigt sich, dass die Positionierung der Zwischenschicht in der Nähe der Anode, im Vergleich zu Zwischenschichten in der Membranmitte oder nahe der Kathode, die stärkste Reduktion des Wasserstoffgehalts zufolge hat. Dies wird damit begründet, dass die verfügbare Menge an Sauerstoff an der Zwischenschicht für die Rekombinationsreaktion von der Anode in Richtung Kathode abnimmt.