Reference electrodes in proton exchange membrane water electrolysis characterization

experimental investigation of oxygen and hydrogen evolution reaction kinetics

verfasst von

Lena Viviane Bühre

betreut von

Richard Hanke-Rauschenbach

Abstract

Die Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Waserelektrolyse unter Einsatz erneuerbarer Energien bietet vielversprechende Möglichkeiten, verschiedene Sektoren zu dekarbonisieren und fluktuierende erneuerbare Energien in den Energiemix zu integrieren. Die großtechnische Erzeugung von grünem Wasserstoff steht jedoch vor Herausforderungen, vor allem aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen. Als Beitrag zur Bewältigung dieser Herausforderung befasst sich diese Dissertation mit der Senkung der Kosten für die Wasserstofferzeugung durch eine verbesserte Charakterisierung der Katalysatorschichten in PEM Wasserelektrolyseuren. Die Charakterisierung der Katalysatorschichten ist wichtig, denn eine verbesserte kinetische Effizienz und Beständigkeit tragen dazu bei, die Kosten zu senken, die mit mit den teuren und knappen Katalysatormaterialien verbunden sind. Die derzeitigen Charakterisierungswerkzeuge bieten nur begrenzt realistische Einblicke in die Performance der Katalysatorschicht auf Gesamtzellebene. Um diese Lücke zu schließen, untersucht die vorliegende Dissertation die Anwendung von Referenzelektroden als erweitertes Charakterisierungswerkzeug für die PEM-Wasserelektrolyse. Referenzelektroden ermöglichen die Messung des Ionenpotentials innerhalb der Zelle und bieten so einen Einblick in das System. Auf diese Weise kann das Betriebsverhalten der Katalysatorschicht an beiden Elektroden individuell untersucht werden und Degradationserscheinungen können besser erkannt werden. Zunächst wird die Integration von zwei Referenzelektrodenkonzepten in standardisierte Testzellen erläutert und mit experimentellen Untersuchungen begleitet. Es handelt sich dabei um eine Salzbrücken-Referenzelektrode und eine reversible Wasserstoff-Elektrode. In beiden Fällen ergeben sich bei den Versuchsaufbauten Herausforderungen, wie beispielsweise Auswirkungen der Referenzelektroden auf den regulären Betrieb der Zelle. Am Ende der Dissertation stehen die beiden Versuchsaufbauten als vielseitige Charakterisierungswerkzeuge zur Untersuchung der verschiedenen Verlustbeiträge in PEM Wasserelektrolysezellen zu Verfügung. Die erste Anwendung der Versuchsaufbauten ist die separate Charakterisierung der Reaktionskinetiken der Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklung. Für beide Reaktionen werden die kinetischen Parameter Tafel-Steigung und Austauschstromdichte bestimmt. Anschließend wird die Beziehung zwischen Temperatur und Austauschstromdichte untersucht, um die Aktivierungsenergien für Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen zu ermitteln. Diese stellen wichtige Indikatoren für die Katalysatorentwicklung und die Modellierung dar. Als abschließende Anwendung wird ein beschleunigter Alterungstest durchgeführt. Dabei zeigt sich ein Anstieg der Aktivierungsüberspannung über den Versuchszeitraum. Dieser kann auf Veränderungen in der kathodischen Katalysatorschicht zurückgeführt werden.

Organisationseinheit(en)

Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Typ

Dissertation

Anzahl der Seiten

176

Publikationsdatum

18.07.2024

Publikationsstatus

Veröffentlicht

Ziele für nachhaltige Entwicklung

SDG 7 – Erschwingliche und saubere Energie

Elektronische Version(en)

https://doi.org/10.15488/17804 (Zugang: Offen)