Konzeptionelle Entwicklung eines Versuchsstandes mit einer Anion Exchange Membrane Elektrolysezelle

Abstract

Während die Energiewende an Fahrt aufnimmt und der Klimawandel in großen Schritten weiter voranschreitet, wächst der grüne Wasserstoff zu einem der erfolgversprechendsten Energieträger der Energiewende heran. Fossile Brennstoffe durch erneuerbare Alternativen zu ersetzen, bleibt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Hierbei bietet sich der grüne Wasserstoff allerdings nicht nur als weiteres Mittel zur Senkung der CO2-Emissionen in der Stromerzeugung oder im Verkehr an. Die Wasserelektrolyse als eine Schlüsseltechnologie im 21. Jahrhundert nutzt Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasser, Wind oder Solarenergie, um grünen Wasserstoff kommerziell zu produzieren. Das dabei entstehende grüne Gas kann vielseitig eingesetzt werden. Wasserstoff wird zum Beispiel als Prozessgas für Raffinerien und in der Metallindustrie oder in der Ammoniakproduktion verwendet. Es wird im Transportsektor mittels Sauerstoff über Brennstoffzellen in elektrische Energie umgewandelt und in der Stromproduktion kommt das Gas vermehrt auch in speziell entwickelten Gasturbinen zum Einsatz. Eine seiner wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten ist allerdings der Einsatz als Energiespeicher, um mit den Erzeugungsspitzen der wachsenden erneuerbaren Erzeugungsleistungen grünen Wasserstoff zu gewinnen und einzuspeichern. Gewisse Elektrolysetechnologien, wie die alkalische Wasserelektrolyse, oder die Protonen Austausch Membran Wasserelektrolyse, kommen bereits heute kommerziell zum Einsatz. Die beiden Technologien haben allerdings auch große Nachteile. Die Anionen Austausch Membran (AEM) Wasserelektrolyse versucht als neues Verfahren, die beiden anderen zu kombinieren, um ihre Vorteile miteinander zu verbinden und ihre Nachteile auszumerzen. Nachdem Wissenschaftler_innen der unterschiedlichsten Bereiche bereits seit mehr als einem Jahrzehnt an dieser Technologie forschen, möchte das Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien nun ebenfalls seinen Beitrag leisten. In dieser Arbeit wird ein Konzept für einen Versuchsstand mit einer AEM Elektrolysezelle erarbeitet. Der Teststand ermöglicht verschiedenste Experimente an der Elektrolysezelle. Somit sollen diverse Aspekte der Zelle verbessert werden können, wie beispielsweise Design und Werkstoff der Komponenten, Strömungsverlauf der Prozessmedien, Minimierung der inneren Widerstände, Optimierung des Zelldesigns für eine eventuelle Massenproduktion, oder die Skalierbarkeit der Zelle und des Zellstapels. Auch die Gesamtleistung der Zelle soll verbessert werden. Darüber hinaus wird die elektrochemische Impedanzspektroskopie eingesetzt, um Experimente speziell bezüglich der inneren Widerstände und Stromdichten durchzuführen. Diese Testmethode liefert hervorragende Ergebnisse für eine weitere Analyse der inneren Komponenten und Prozessmedien. Der korrespondierende theoretische Hintergrund der in diesem Versuchsstand verwendeten Technologien wurde zusammengefasst und erläutert. Da der Umfang dieser Arbeit nur die konzeptionelle Entwicklung des Versuchsstandes umfasst, sind die Bestellung der verschiedenen Komponenten, ihre Montage oder etwaige Impedanzmessungen Gegenstand von Folgeprojekten. Ein Rohrleitungs- und Instrumenten-Fließschema und der Aufbau der Baugruppe samt ihrer verschiedenen Komponenten werden in dieser Arbeit angeführt und genau erläutert. Zudem werden im Anhang die technischen Zeichnungen der selbst entworfenen Bauteile eingefügt und im Text an entsprechender Stelle referenziert. Um ferner das Verständnis über die Anwendung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie an diesem Versuchsstand zu verstärken, werden einige aus der Testmethode resultierende Diagramme beispielhaft diskutiert. Zusätzlich wird die COMSOL Multiphysics Software als weitere Methode zur Modellierung, Simulation und Untersuchung von elektrochemischen Systemen vorgestellt. Die beliebte Software-Umgebung bietet durch ihren modularen Aufbau hervorragende Möglichkeiten zur multiphysikalischen Modellierung der komplexen Prozesse der AEM Wasserelektrolyse Technologie. Das Ergebnis dieser Arbeit soll eine grundlegende Basis für weitere substanzielle Forschung bieten, um dieses spezielle Elektrolyseverfahren der AEM Wasserelektrolyse auf ein Niveau zu heben, auf dem es kommerziell genutzt werden kann.

As the energy revolution and climate change of the 21st century are both still gaining momentum, green hydrogen rises as one of the most promising energy carriers to transform our world. While replacing fossil fuels with green and renewable alternatives remains one of the biggest challenges so far, green hydrogen offers additional possibilities besides reducing CO2 emissions in electrical energy production or transportation.Using electricity generated from renewable energy sources such as water, solar power or wind, water electrolysis is a key technology already commercially used to produce green hydrogen. The gas can be used in various ways. It is, for instance, needed in the oil refinery and metal industry as a process gas, and products such as ammonium are made with hydrogen. Fuel cells use hydrogen and oxygen to generate power for means of transportation, and new gas turbines for energy production, specifically designed to burn hydrogen, are being introduced to commercial markets. Particularly, green hydrogen can be used to store electrical energy generated from renewables to compensate for the production peaks of the ever-growing production performance from renewables. Although electrolysis technologies such as the alkaline water electrolysis or the proton exchange membrane water electrolysis are already commercially used to produce hydrogen, both processes have substantial advantages and disadvantages which need to be considered. A new electrolysis type, the anion exchange membrane water electrolysis, is being developed to both combine the upsides and eliminate the downsides of the other two technologies. Scientists of different fields have already been working on this new electrolyser type for over a decade, and the Institute for Energy Systems and Thermodynamics of the Vienna University of Technology now intends to take part in this research as well. This thesis works out a concept for a test rig with an anion exchange membrane electrolysis cell. The test rig is designed to enable its users to conduct various experiments on the electrolysis cell to improve several aspects of the cell. For instance, improvements could be accomplished in design and materials of the components, flow optimization of the process media, or minimizing internal resistances. The overall design of the cell could be modified for an eventual mass production and a better scalability of the cell and cell stack, and improving the overall performance of the cell is also a goal. Furthermore, to conduct experiments specifically concerning inner resistances and current densities, the electrochemical impedance spectroscopy will be applied. This test method provides excellent results for further analysis of the inner components and process media. As the scope of this thesis only comprises the conceptual development of the test rig, ordering the different components, assembly, and impedance measurements remain to be done in subsequent projects. Nonetheless, the theoretical background of the technologies used in the test rig has been summarized. The overall electrochemical process and concept plan of the test rig, as well as the different components of the whole test rig, are explained in this thesis. Concerning the different components of the test rig and the electrolysis cell, the technical plans of the parts that have been specifically designed were all added to the appendix. For a clear understanding of the use of electrochemical impedance spectroscopy as a test method for this rig, some resulting diagrams are being discussed. Furthermore, the COMSOL Multiphysics software tool is introduced as an additional way of testing and developing the electrolysis cells on the test rig. The software environment is commonly used for modelling and simulation of electrochemical systems. The results of this work are meant to provide a fundamental basis for substantial scientific research to elevate the Anion Exchange Membrane Water Electrolysis technology to a level where it can be used in a commercial sense.