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Nr 1–2 2024 www markttechnik de 27 Transportiert wird der durch die Elektrolyse erzeugte Wasserstoff entweder über Wasserstoffspeicher oder über Pipelines zu den verschiedenen Anwendungsorten Aktuell sind Brennstoffzellen die am weitesten verbreitete Anwendung Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus mehreren Platten und Membranen Nach der Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff in die Brennstoffzelle wird die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und kann genutzt werden Typischerweise erzeugt eine Brennstoffzelle eine Spannung von etwa 1 V Durch das Stapeln dieser Zellen lässt sich eine höhere nutzbare Spannung erzeugen Derzeit werden Brennstoffzellen-Stacks im allgemeinen für verschiedene Anwendungen angepasst Zu den Brennstoffzellentypen gehören die Phosphorsäure-Brennstoffzelle PAFC die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle MCFC die alkalische Brennstoffzelle AFC und die Protonenaustauschmembran-Zelle PEM Bild 1 zeigt die Polarisationskurve der Brennstoffzelle Bei ansteigendem Strom stellt der erste Spannungsabfall einen Verlust der Zellaktivierung dar Teil 2 zeigt den durch den Innenwiderstand verursachten Spannungsabfall Teil 3 verdeutlicht den Spannungsabfall auf-Vergleich der Spezifikationen von Brennstoffzellenstapeln verschiedener Hersteller Bild 3 Aufbau für die Steuerung von zentralisierten Wasserstoff-Elektrolyse-Stromversorgungen mit Mean-Well-Produkten Bild 2 Die Anforderungen an Wasserstoff-Energiesysteme und -Energieversorgungen lassen sich in Elektrolyse-Stromversorgungen und Brennstoffzellen-Stromversorgungen unterteilen Eine Technologie die aufgrund der hohen Stromdichteeigenschaften den Vorteil einer hohen Elektrolyse-Effizienz hat Bei der PEM-Elektrolyse liegt der Zellspannungsbereich zwischen 1 8 und 2 5 V Alkalische Elektrolyse A-EL Hier kommt Kaliumhydroxid als Elektrolyt zum Einsatz Hydroxid-Ionen wandern durch die poröse leitfähige Membran zur Anode wo sie eine Oxidationsreaktion durchlaufen bei der Elektronen freigesetzt werden um Sauerstoff zu erzeugen Die Elektrolyse zerlegt Wasser in Wasserstoff-Ionen und Hydroxid-Ionen und nimmt Elektronen auf um Wasserstoff freizusetzen Derzeit wird sie hauptsächlich in großen elektrolytischen Wasserstoffproduktionssystemen eingesetzt Bei der AEL-Elektrolyse liegt der Zellspannungsbereich zwischen 1 4 und 3 0 V Anionenaustauschmembran AEM-EL Diese Technologie verbindet die niedrigen Kosten der A-EL mit der Einfachheit und Effizienz der PEM Durch die Verwendung von edelmetallfreien Katalysatoren und titanfreien Komponenten funktioniert sie bei Druckunterschieden wie die PEM Die AEM hat eine niedrige Leitfähigkeit eine langsame katalytische Kinetik und eine schlechte Elektrodenstruktur die die Leistung der AEM beeinflusst Im Fall der AEM-Elektrolyse liegt der Zellenspannungsbereich zwischen 1 4 und 2 0 V Festoxid-Elektrolyse HT-EL Als Elektrolyt werden sauerstoffionenleitende keramische Materialien verwendet Wasser tritt als Dampf in die Elektrolyse ein und wird an der Kathode in Wasserstoffund Sauerstoff-Ionen umgewandelt Dabei nehmen die Wasserstoff-Ionen Elektronen auf die durch den externen Stromkreis geleitet werden um Wasserstoff zu erzeugen Dieses Elektrolyseverfahren arbeitet in einer Umgebung mit hohen Temperaturen 700 bis 1000 °C Der Zellspannungsbereich liegt zwischen 1 0 und 1 5 V In einem Elektrolyseur werden die einzelnen Zellen in einen Zellstapel Stack zusammengefasst Derzeit werden elektrolytische Stack-Module meist kundenspezifisch angepasst und für hohe Leistungen entwickelt Zum Beispiel beträgt die Zellspannung 2 Vund 48 Zellen sind zu einem 96-V-Stack in Reihe geschaltet – für die Elektrolyse ist also eine 96-V-DC-Stromversorgung erforderlich Je größer der Stapel ist desto mehr Spannung wird benötigt Eine größere Anzahl von parallelgeschalteten Stapeln und eine größere Oberfläche haben einen höheren Strombedarf für die Elektrolyse von Wasserstoff zur Folge Company Fuel-Cell-Rating kW No of Cells FC U-I-Range Umin Umax Ta A 6 8 48 47 to 29 V 0 to 130 A 61 7% –20 to +55°C B 13 6 96 94 to 58 V 0 to 130 A 61 7% –20 to +55°C C 75 275 267 to 167 V 0 to 450 A 62 5% –30 to +70°C D 125 455 441 to 278 V 0 to 450 A 63% –30 to +70°C E 6 96 to 60 V 0 to 83 A 62 5% –5 to +35°C F 27 88 to 528 V 0 to 352 A 60% –33 to +50°C