Proton conduction and gas permeation through polymer electrolyte membranes during water electrolysis

  • Protonenleitfähigkeit und Gaspermeation durch Polymerelektrolytmembranen während der Wasserelektrolyse

Schalenbach, Maximilian; Stolten, Detlef (Thesis advisor); Spohr, Eckhard (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag (2018)
Buch, Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment 426
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (VI, 212 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Wasserelektrolyse ist eine effektive, langlebige und emissionsfreie Technologie um elektrische Energie durch die elektrochemische Zersetzung von Wasser in chemische Energie umzuwandeln. Bei der Wasserelektrolyse in sauren Elektrolyten wird Wasser an der Anode zu Sauerstoff und Protonen oxidiert. Die Protonen permieren durch den Elektrolyten zur Kathode und werden dort zu Wasserstoff reduziert. Saure Polymerelektrolytmembranen (PEM) werden typischerweise benutzt um die Protonenleitfähigkeit zwischen den Elektroden zu gewährleisten und um die produzierten Gase zu separieren. Die Protonenleitung in PEMs findet in einer wässrigen Phase in der Form von Wasserkanälen statt, welche von der polymeren Phase getrennt sind. Diese Arbeit ist der Beschreibung der Protonen- und Gaspermeation durch die PEM während der Wasserelektrolyse gewidmet, wobei physikalische Prozesse auf mikroskopischer Ebene der PEM (Größenordnung von 1 nm) sowie der makroskopische Effizienzverlust charakterisiert werden. Die in der Literatur am besten charakterisierte PEM ist Nafion, an der exemplarisch die physikalischen Transportprozesse in PEMs untersucht werden. Mittels Impedanzspektroskopie wurde innerhalb von drei Frequenzdekaden und unterhalb von Amplituden von 1 V eine konstante Protonenleitfähigkeit gemessen. Durch Berechnung der Längenskala der Protonenpermeation als Funktion der Frequenz und Amplitude konnte gezeigt werden, dass die Leitfähigkeit nicht von Streuprozessen an Porwänden beeinflusst wird. Wässrige Lösungen mit der gleichen Protonenkonzentration wie in den Wasserkanälen von Nafion zeigten eine 6 Mal höhere Leitfähigkeit als jene von Nafion selbst. Die Ursachen für die reduzierte makroskopische Leitfähigkeit wurden mit geometrischen Einschränkungen der Protonenpermeation durch die Morphologie der wässrigen Phase begründet. Durch Verwendung elektrochemischer Messmethoden wurde gezeigt, dass die Gaspermeabilität von Nafion druckunabhängig ist, was auf einen diffusiven Permeationsprozess zurückzuführen ist. Die wechselnde Permeation durch die wässrige, polymere und dazwischenliegende Phase wurde mit einem Widerstandsnetzwerk welches die mikroskopische Struktur von Nafion wiedergibt simuliert. Der Vergleich von gemessenen und simulierten Wasserstoffpermeabilitäten ergab, dass Wasser als Weichmacher agiert und damit die Permeabilität der polymeren Phase erhöht. Die Wasserstoff- und Sauerstoffpermeation durch die PEM während der Wasser- elektrolyse wurde durch ein physikalisches Modell beschrieben, das die Wechselwirkung zwischen Protonen- und Gaspermeation berücksichtigt. Dieses Modell wurde mit gemessenen anodischen Wasserstoffgehältern einer Elektrolysezelle evaluiert. Basierend auf diesem Modell und den gemessenen Leitfähigkeiten sowie Permeabilitäten wurden Effizienzverluste durch die Protonenleitung und den Gasdurchtritt in Elektrolysezellen in Abhängigkeit der Membrandicke simuliert. Um den Effizienzverlust durch den Wasserstoffdurchtritt zu reduzieren, wurde eine neue Technik mit einer zusätzlichen Elektrode im Elektrolyten entwickelt, an der Wasserstoff in der PEM oxidiert und zurück zur Kathode geschickt wird. Auf der Grundlage des aufgestellten Modells wurde die Effizienz von Druckbetrieb im Vergleich zu Niederdruckbetrieb in Kombination mit nachfolgender mechanischer Komprimierung diskutiert.

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