Konstruktion, Aufbau und Inbetriebnahme eines Hochdruck-PEM-Elektrolysestapels
Das Praktikum wird am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme in Freiburg in der Arbeitsgruppe Chemische Energiespeicherung der Abteilung Energietechnik absolviert. Es ist Teil des Projektes NEXPEL Next Generation PEM Electrolyser for Sustainable Hydrogen Production. Aufgaben werden in 3 Gruppen unterteilt: Elektrolyse, Korrosion und Wasserstoff Versprödung.
Für die Elektrolysezelle Messungen wurde eine PEM Elektrolysezelle benutzt, die besteht im Wesentlichen aus zwei Endplatten aus Edelstahl und zwei Bipolarplatten. Anstatt eines Flowfield hat die NEXPEL Zelle eine 2 mm tiefe Aussparung in beiden Bipolarplatten. Hier befinden sich die mit Katalysatoren beschichteten Membranen und die Stromverteilerplatten. Dadurch können verschieden dicke Stromverteilerplatten eingebaut werden. Um die jeweils gewünschte Verpressung zu erreichen, werden zudem Titanbleche mit unterschiedlicher Stärke eingesetzt. Messungen wurden bei verschiedenen Temperaturen (20°C, 40°C, 60°C und 80°C) und mit verschiedenem Druck (1 bar, 10 bar, 15 bar, 20 bar und 30 bar) durchgeführt, sowie mit verschiedenen Membranen und verschieden Stromverteilers Titan, Gas Diffusion Layer (GDL), Titan Gitter, Titan Sinter, Grafit (EFT) und es unterschiedlicher Dicke. Elektrolyse-Messungen wurden abgeschlossen. Auf Basis der Ergebnisse wurde ein Konzept für einen Elektrolysestack entwickelt. Anhand der Elektrolyse-Messungen wurde herausgefunden, dass mit höherer Temperatur bessere Ergebnisse erzielt werden. Die Wahl der Materialien und der Materialstärke wirkt sich signifikant auf die Ergebnisse aus.
Für Korrosionsmessungen wird eine elektrochemische Zelle mit drei Elektroden verwendet, Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Gegenelektrode. Für die elektrochemischen Messungen werden die LSV (Linear Sweep Voltammetrie) und die CV (Cyclische Voltammerie) verwendet. Mit der LSV Methode (Potentialkorrosion) werden die quantitativen Werte (Korrosionsrate [mm/J], Korrosionsstrom [A/cm²], Korrosionspotential [V]) ermittelt. Mit der CV Methode (Spaltkorrosion) werden die qualitativen Werte (Redox Reaktionen) ermittelt. Die Messungen wurden mit den Titan Graden 1, 2, 5, 7, 12 bei 80°C, 60°C und 40°C und mit dem Stahl bei 80° durchgeführt. Bei höheren Temperaturen ist Ti Grad 2 der Favorit für das NEXPEL-Projekt und Ti Grade 2 ist wesentlich kostengünstiger als Ti Grade 7 und Ti Grade 12. Alle Ti Grade sind gute Ergebnisse bei allen Temperaturen in dem OCP Bereich, weil die Korrosionsströme US-DOE Standard (16µA/cm²) sind. In dem 2V Bereich bei 80°C erzielen Ti Grade 1, 2, 7 den Standard, aber bei den Ti Graden 5 und 12 sind die Korrosionsströme zu hoch und das bedeutet, dass die Materialien weniger als 10 000 Stunden betrieben werden können. Von den LSV Messungen wurde festgestellt, dass Titan Grade 2 das bessere Material gegen Potentialkorrosion ist. An den CV Messungen wurde festgestellt, dass Titan Grade 12 besseres Material gegen SpaltkKorrosion ist, trotz des hohen Korrosionsstroms (oben US-DOE Standard 16µA/cm²) und deshalb Ti Grad 12 nicht für Bipolarplatten ersetzt. Daraus wurde festgestellt, dass Ti Grad 2 der Favorit für das NEXPEL-Projekt ist und Ti Grad 2 ist wesentlich kostengünstiger als Ti Grad 7 und Ti Grad 12.