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Das Projekt strukturiert sich durch eine iterative Verbesserung von Materialien für Interkonnektoren, Katalysatoren und Membranen. Dabei lag bislang der Fokus auf der Entwicklung von langzeitstabilen und dennoch kostengünstigen Interkonnektoren. Hier konnte ein großer Erfolg durch den weitgehenden Ersatz von Titan durch kostengünstigen Edelstahl erzielt werden. Im weiteren Verlauf wird derzeit ein Teststand aufgebaut, der es uns ermöglicht, neue Katalysator(-mischungen) und Membranen zu testen. In einem ersten Schritt werden wir als Referenzmessungen bereits kommerziell erhältliche Katalysatoren bei unterschiedlichen Beladungen und Membrandicken vermessen. Ausgehend hiervon werden anschließend verschiedene Materialien im Betrieb und anschließend ex situ untersucht.

  • Hier wird eine neue edelstahlbasierte Beschichtung der Interkonnektoren entwickelt. © DLR
  • Dies ist die Teststandsumgebung zur Vermessung der Zellen und Stacks. © DLR
  • Das Bild zeigt den Elektrolysestack im Teststand. © DLR
  • Die Abbildung zeigt einen Elektrolysestack. © DLR

Im Projekt LastEISy werden im Rahmen einer Partnerschaft aus Industrie und Wissenschaft neuartige Materialien für die Anwendung in PEM-Elektrolyseursystemen entwickelt und unter realitätsnahen Bedingungen getestet. Die Entwicklungsbereiche umfassen hierbei sowohl MEAs und Katalysatoren als auch die Interkonnektoren. Durch Messungen im Betrieb als auch ex-situ-Messungen mittels bildgebender und spektroskopischer Methoden soll der Einfluss verschiedener, realistischer Betriebsprofile auf Leistung und Langzeitstabilität untersucht werden. Zudem wird auch der Einfluss der BoP-Komponenten hierauf hin getestet. Die Experimente begleitend wird eine Modellierung durchgeführt, die die in den Experimenten beobachteten Degradationen abbilden und erklären soll mit dem Ziel, Verbesserungen hinsichtlich Materialauswahl und Betrieb zu optimieren.

Projektkontext

Im Zusammenhang mit der steigenden installierten Leistung von fluktuierenden, erneuerbaren Energien rücken Speichertechnologien für elektrische Energie immer stärker in den Fokus des industriellen und politischen Interesses. Eine vielversprechende Möglichkeit sind hier chemische Speichertechnologien, wie zum Beispiel die Wasserstoffspeicherung, verbunden mit der Herstellung von Wasserstoff aus (vorzugsweise erneuerbarer) Elektrizität mit Hilfe der Wasserelektrolyse. Diese können ein Überangebot elektrischer Energie, z. B. aus Windkraftanlagen, als Wasserstoff speichern. Dabei können große Energiemengen gespeichert werden. Der gespeicherte Wasserstoff kann dann entweder zu einem späteren Zeitpunkt wieder rückverstromt oder direkt stofflich verwertet werden, z. B. als Kraftstoff für den Verkehrssektor, als chemischer Rohstoff oder für den Hausenergiegebrauch durch Zumischung zum Erdgastransportnetz.

Vorteile gegenüber alkalischen Elektrolyseuren

PEM Elektrolyseure versprechen aufgrund ihrer Baugröße und schnellen Reaktionsrate wirtschaftliche Vorteile gegenüber alkalischen Elektrolyseuren falls sie eine vergleichbare Dauerhaltbarkeit erreichen wie die alkalischen Elektrolyseure. Ihr Nachteil besteht zur Zeit noch darin, dass die Katalysatorschichten in den Elektroden der Elektrolysezellen bei wechselnden Lastanforderungen schneller degradieren als bei der alkalischen Elektrolyse. Das Ziel dieses Projektes ist es daher, die Katalysatorschichten in Hinsicht auf ihre Dauerhaltbarkeit bei wechselnden Lasten zu verbessern und die Vorgänge bei der Degradation besser zu verstehen.

Optimierung

In diesem Projekt werden in grundlegenden Experimenten Verbesserungen der Leistung und Dauerhaltbarkeit der Elektrolysezellen und -stacks sowie des Gesamtsystems angestrebt. Dies umfaßt sowohl  Materialentwicklung (Interkonnektoren, Membranen, Katalysatoren) als auch Verbesserungen im verfahrenstechnischen Betrieb der Anlage. Die Optimierungen, die in diesem Projekt erreicht werden, sollen anschließend im Rahmen weiterer Projekte auf Anlagen im großen Leistungsbereich übertragen werden.

Teilvorhaben

  • DLR - Teilvorhaben 1a - Aufbau eines Elektrolyseur-Testsystems
    Zunächst wird eine Testanlage für einen Elektrolyseur aufgebaut, in dem weitere experimentelle Arbeiten durchgeführt werden können. Das System ist ausgelegt für einen Stack mit Zellen, die etwa eine Fläche von 100 cm2 haben. Damit entsprechen sie nicht der Geometrie der MW-Anlage, qualitative Aussagen über Zelleigenschaften bei variierenden Materialparametern können dennoch hinreichend getroffen werden. Wichtig ist bei der Planung des Teststands zudem die Auslegung der BoP-Komponenten, da diese einen großen Anteil an der Leistung und Langzeitstabilität des Systems haben.

  • DLR - Teilvorhaben 1b - Betrieb eines Elektrolyseurs mit verschiedenen MEA-Konfigurationen
    Die im Teilvorhaben 2 von Hydrogenics entwickelten Stacks werden in diesem Teil des Projekts experimentell im Betrieb und ex situ untersucht. Vor allem letztere Methode liefert wichtige Rückschlüsse über strukturelle Veränderungen der Katalysatorschichten und chemische Veränderungen. Mit diesen Erkenntnissen können dann Rückschlüsse über das Verhalten der Katalysatorschichten gewonnen werden, die dann zur Neukonfiguration von Katalysatormaterialien führen können.

  • DLR - Teilvorhaben 1c - Dynamische Degradationstests
    In Zusammenarbeit mit Hydrogenics werden realistische, u.a. intermittierende Einspeisemengen erneuerbarer Energien darstellende, dynamische Lastprofile entwickelt und der Elekrolyseur entsprechend betrieben. Ziel deses Teilvorhabens ist, neben Erkenntnissen zur Materialentwicklung, auch die Untersuchung des Einflusses der BoP-Komponenten der gesamten Anlage auf Leistung und Dauerhaltbarkeit des Elektrolyseurs.

  • DLR - Teilvorhaben 1d - Modellierung der Degradation
    Die experimentellen Untersuchungen begleitend soll ein numerischen Modell erstellt werden, das in der Lage ist, die Degradationsmechanismen in den Elektrolysezellen abzubilden. Dieses Modell enthält sowohl Erkenntnisse aus dem Betrieb als auch den ex situ-Untersuchungen. Es wird angestrebt, die Modellierung möglichst generisch zu halten, um universale Erkenntnisse hieraus ableiten zu können.

  • Hydrogenics - Teilvorhaben 2a - Aufbau PEM-Elektrolysestacks
    Auf Basis der Materialuntersuchungen des DLR wird Hydrogenics Stacks entwickeln und grundlegende Tests zur Einsatzfähigkeit durchführen.

  • Hydrogenics - Teilvorhaben 2b - Definition und Begleitung der dynamischen Tests
    In Zusammenarbeit mit dem DLR werden hier die Rahmenbedingungen und Testprozeduren für die dynamischen Tests des Elektrolyseurs festgelegt. Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Wahl realitätsnaher Szenarios. Hierzu wird Hydrogenics seine Erfahrungen aus bisheringen Projekten einbringen.
Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

Termine

23. Oktober 2017
E-Mobility Power System Integration Symposium

24. Oktober 2017
Wirtschaftliche Energiespeicher

7. November 2017
Energiespeicher & Wärmepumpentechnologie

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