Aspects of dynamics in proton exchange membrane water electrolysis

Grüner Wasserstoff, der aus erneuerbaren Energiequellen durch Elektrolyse von Wasser gewonnen wird, kann eine bedeutende Rolle bei der Dekarbonisierung der Gesellschaft spielen. Für seine Produktion bietet die Protonen-Austausch-Membran-Wasserelektrolyse (PEMWE) aufgrund ihrer Fähigkeit zur volatilen Betriebsweise, die sich gut mit den Schwankungen der durch erneuerbare Quellen wie Wind und Sonne bereitgestellten Energie vereinbaren lässt, ein großes Potenzial. Obwohl PEMWE-Systeme unter volatilen Lastprofilen betrieben werden können, sind die Dynamiken dieser Systeme noch nicht vollständig verstanden. Daher untersucht diese Arbeit einige der Schlüsselphänomene, die in PEMWE-Stacks und einzelnen Zellen auftreten, ausgenommen die Langzeitdegradation. Die Zeitkonstanten der zugrundeliegenden Prozesse reichen von Millisekunden bis zu Wochen. Ein tieferes Verständnis dieser Prozesse ermöglicht eine Steigerung der Effizienz, die Vermeidung schädlicher Betriebsweisen und eine bessere Bestimmung des Gesundheitszustands (SoH) des Systems. Die schnellsten in dieser Arbeit untersuchte Dynamik betrifft den Protonentransport (Zeitkonstante τ ≤ 1 ms) innerhalb der Protonen-Austausch-Membran (PEM) und die Entladung der Doppelschicht an der Katalysatorschicht (50 ms < τ < 10 s). Ein besseres Verständnis dieser Prozesse ermöglicht Einblicke in die Charakteristika einer PEMWE-Zelle. Diese Charakteristika werden in der Regel in einer Laborumgebung bewertet, die die Verwendung zusätzlicher Ausrüstung und spezifischer Betriebsschemata erfordert. Durch die Übertragung der Auswertemethoden auf industrielle Anwendungen ergeben sich mehrere Herausforderungen, denen durch ein verbessertes Verständnis der dynamischen Vorgänge begegnet werden kann. Ein Charakterisierung basierend auf dem dynamischen Antwortverhalten einer Zelle erlaubt es, diese Herausforderungen zu beseitigen. Darüber hinaus werden die Dynamiken von Temperatur und Konzentrationen sowie deren Kopplung mit dem Polarisationsverhalten einer Zelle untersucht. Die Konzentrationsdynamiken sind eng mit dem Zelldesign verknüpft, während die Temperaturdynamiken von der peripheren Ausrüstung des Stacks abhängen. Typische Zeitkonstanten für die Temperaturdynamiken liegen bei τ ≈ 1 h. Eine Analyse der Kopplung von Temperaturdynamiken mit der Gesamtleistung eines PEMWE-Stacks ermöglicht es, potenziell schädliche Betriebsmodi zu erkennen und optimierte Betriebsschemata zu entwickeln. Schließlich wird eine Analyse der Veränderungen in der Katalysatoraktivität durchgeführt. Das Anodenpotenzial beeinflusst die Aktivität des Katalysators. Dies kann zu einer Erhöhung der Aktivität bei relativ niedrigen Potentialen (während einer Abschaltung) mit schneller Dynamik (τ ≈ 5 s) und bei Potentialen, wie sie während des Betriebs vorliegen, zu einer langsamen Passivierung (τ > 5 d) führen. Das Verständnis dieser Vorgänge ist erforderlich, um den Gesundheitsszustand einer Zelle zu beurteilen und erlaubt es, optimierte Betriebsstrategien zu entwickeln. Die Analysen dieser Arbeit liefern Einblicke in die Schlüsseldynamiken und unterstützen die weitere Marktdurchdringung von PEMWE-Systemen, indem sie das Verständnis der Systeme verbessern, eine einfachere Bewertung von SoH-Kennzahlen ermöglichen und verbesserte Betriebsschemata vorschlagen.