Die auf einer Kunststoffmembran basierende PEM-Technologie steigert nicht nur Effizienz und Wirkungsgrad von elektrolytisch arbeitenden Wasserstoff-Generatoren. Gleichzeitig soll sie zukünftig ermöglichen, im Umkehrverfahren – bei Verwendung entsprechender Speichermedien – Strom zu erzeugen.
Die alkalische Wasserelektrolyse mit 25prozentiger Kalilauge als Elektrolyt ist ein lange bewährtes und ausgereiftes Verfahren. Als Abfallprodukt fällt dabei jedoch Kalilauge an; dadurch entstehen hohe Entsorgungskosten. Einen anderen Weg geht die Membrantechnik. Im Rahmen des NASA-Raumfahrtprogrammes wurde die Proton-Exchange-Membrane (PEM)-Technologie entwickelt und verfeinert. Elektrolyse-Systeme auf Basis dieser Technologie sind heute bereits über 10 Millionen Betriebsstunden ohne nennenswerte Unterbrechung im Einsatz.
PEM-Technolgie
Die PEM-Technologie (Abb. 1) basiert auf einer Feststoff-Polymermembran, die den flüssigen Elektrolyten ersetzt. Die Kunststoffmembran wirkt wie eine Säure und dient zugleich als Scheidewand. Beiderseits der Membran sind poröse Elektroden aufgebracht. Der Anode wird Wasser zugeführt, an der Kathode entsteht Wasserstoff.
Die PEM-Technik erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 90% und gestattet gegenüber herkömmlichen Alkali-Elektrolysesystemen eine sehr viel höhere Stromstärke je Flächeneinheit der Elektroden. Bei gleicher Größe der Elektrolysezelle und gleichem Wirkungsgrad kann damit entsprechend mehr Wasserstoff produziert werden.
Die für Sauerstoff undurchlässige Proton-Exchange-Membrane bildet eine sichere Sperre. Der Differenzdruck zwischen Sauerstoff und Wasserstoff kann dabei auch hoch sein. Dies ist der wichtigste Unterschied zwischen der Protonen-Technologie und den filterpressenartigen KOH-Anlagen, die einen Flüssigelektrolyten verwenden, anstatt einer soliden Membran. Der Wasserstoffdruck wird durch einen Druckhalteregler kontrolliert. Somit entfallen auch teure und wartungsintensive Kompressoren.
Technische Realisierung
Die auf dieser Technologie basierenden Hogen-Wasserstoffgeneratoren (Abb. 2) werden als schlüsselfertige Einheiten geliefert und sind heute in Leistungsgrößen von 0,5 bis 26 Nm3/h erhältlich. Momentan sind sie für einen Druck von 13 bar ausgelegt. Systeme mit einem Betriebsdruck von 140 bar befinden sich in der Entwicklung.
Für die Generatoren sind nur drei Anschlüsse erforderlich, für Leitungswasser, Strom und Produktgas. In der Anlage sind die Stromwandlung, ein Kühlsystem, Wasseraufbereitung und ein umfassendes Betriebs- und Sicherheitsüberwachungssystem untergebracht, die vom eingebauten Prozessleitsystem gesteuert werden. Ebenso ist eine Begleitheizung für den Einsatz in kalten Gegenden vorgesehen. Im Falle einer Stromunterbrechung gewährleistet die USV-Einrichtung ein sicheres automatisches Abstellen. Optional können ein Gasanalysensystem integriert und die Fernüberwachung realisiert werden.
Das Wasserstoffgas fällt mit einer Reinheit von über 99,999% bei einem Taupunkt von -68 °C an. Bei der analytischen Untersuchung des Wasserstoff-Gases wurden weniger als 50 ppb Sauerstoff, Stickstoff und andere Spurengase gefunden. Kohlenwasserstoffe oder Schwefelkomponenten wurden nicht nachgewiesen. Noch wichtiger ist die Tatsache, dass die Gasqualität konstant bleibt.
Die eingesetzte elektrische Energie je produziertem Kubikmeter Wasserstoffgas beträgt ca. 6 kWh. Die Anpassung an den benötigten Wasserstoffbedarf ist stufenlos möglich. Potentielle Einsatzgebiete der Hogen-Generatoren sind Hydrierprozesse, Wärmebehandlung von Metallen, Glasfabriken, Elektronikindustrie, Labors (GC), Energieforschung und Generatorkühlung.
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