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- Was ist PEM-Elektrolyse und wie ist ein PEM-Elektrolyseur aufgebaut?
- Wie werden Bipolarplatten für die PEM-Elektrolyse konstruiert und hergestellt?
- Inwiefern unterscheidet sich der Aufbau von PEM-Elektrolysezellen von dem von Brennstoffzellen und welche Herausforderungen ergeben sich daraus?
- Welche Rolle spielen Dichtungssysteme und -materialien bei der PEM-Elektrolyse?
- Welche Materialien werden für Bipolarplatten verwendet und wie entwickelt sich die Materialentwicklung?
- Welche Materialien werden für Bipolarplatten verwendet und wie entwickelt sich die Materialentwicklung?
- Wie beeinflusst Fertigungskompetenz die Leistung und die Systemintegration?
Was ist PEM-Elektrolyse und wie ist ein PEM-Elektrolyseur aufgebaut?
Bei der PEM-Elektrolyse (Polymer-Elektrolyt-Membran) wird Wasser mithilfe elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, wobei eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) die beiden Elektroden (Anode und Kathode) voneinander trennt.
Das Herzstück der PEM-Elektrolyse ist der Stack, der aus mehreren PEM-Elektrolysezellen besteht, von denen jede wiederum aus einer Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und zwei umgebenden Bipolarplatten (BPP) besteht. Wie bei PEM-Brennstoffzellen sind Bipolarplatten auch in PEM-Elektrolyseuren die funktional entscheidende Komponente. Sie verteilen und sammeln die Reaktionsmedien, leiten elektrische Ströme und dichten die Medienkanäle sowie die eigentliche Zelle effektiv voneinander und nach außen ab. Darüber hinaus erfüllen sie zusammen mit der Zelldichtung die wichtige Aufgabe, den Wasserstoff sicher einzuschließen, der teilweise bei Drücken von mehr als 30 bar entsteht.
Bipolarplatten unterliegen daher extremen Anforderungen: Sie müssen korrosionsbeständig, elektrisch leitfähig und mechanisch stabil sein, um den anspruchsvollen Bedingungen der Elektrolyse standzuhalten, da hohe Temperaturen, hohe Drücke und hohe Zellspannungen eine sehr korrosive Umgebung schaffen. Gleichzeitig ist die Herstellung von Bipolarplatten ein entscheidender Kostenfaktor bei der PEM-Elektrolyse.
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Wie werden Bipolarplatten für die PEM-Elektrolyse konstruiert und hergestellt?
Die Entwicklung und Herstellung von Bipolarplatten baut auf umfangreichen Erfahrungen aus der PEM-Brennstoffzellentechnologie auf. Metallische Bipolarplatten sind aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Kosteneffizienz, Leistungsdichte und Eignung für anspruchsvolle Betriebsbedingungen weit verbreitet. Sie werden typischerweise mithilfe von Präzisionsumformverfahren wie dem Stanzen in Kombination mit hochautomatisierten und integrierten Fertigungslinien hergestellt. Fortschrittliche Werkzeugkonzepte, wie beispielsweise Folgeverbundwerkzeuge, ermöglichen minimale Zykluszeiten und eine skalierbare Produktion, die den Standards der Automobilindustrie entspricht.
Hersteller wie EKPO Fuel Cell Technologies wenden diese Ansätze in vollständig integrierten Produktionsumgebungen an und kombinieren dabei Metallumformung, Beschichtung und Dichtungstechnologien innerhalb ihrer eigenen Fertigungsprozesse.
Zu den wichtigsten Funktionselementen von Bipolarplatten gehören das Dichtungssystem und das integrierte Strömungsfeld. Das Strömungsfeld besteht aus geprägten Kanalstrukturen, die eine gleichmäßige Wasserverteilung und eine effiziente Ableitung von Wasserstoff und Sauerstoff ermöglichen. Um Haltbarkeit und Leistung zu gewährleisten, werden die Metallplatten beschichtet, um sie vor Korrosion zu schützen und gleichzeitig die elektrische Leitfähigkeit zu erhalten.
Inwiefern unterscheidet sich die Konstruktion von PEM-Elektrolysezellen von der von Brennstoffzellen, und welche Herausforderungen ergeben sich daraus?
Anders als in einem Brennstoffzellenstapel bestehen die Zellen eines Elektrolyseurs in der Regel nicht aus zwei mediendicht verschweißten Halbplatten. Stattdessen enthalten sie neben einer Bipolarplatte mit Kanalstrukturen weitere Schichten, die für die Gasableitung und Druckverteilung innerhalb der Zelle sorgen. Da auf der Wasserstoffseite Drücke im Bereich von 30 bar und darüber herrschen, muss die Membran durch sogenannte Drucktransportschichten (PTL) abgestützt werden. Zusammen mit Gasverteilungsstrukturen aus Geweben, Streckmetallen oder porösen Sinterstrukturen ergibt sich daraus ein komplexer mehrschichtiger Aufbau, der hinsichtlich Koordination, Konstruktion und kosteneffizienter Fertigung mehrere Herausforderungen mit sich bringt.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, konzentrieren sich die Konstruktionsansätze auf funktionale Integration und flexible Fertigung. So entwickeln Hersteller wie EKPO Fuel Cell Technologies Konzepte, die strukturelle Unterstützung, Abdichtung und Strömungsmanagement in weniger Komponenten vereinen, was die Systemkomplexität verringern und die Montage vereinfachen kann.
Welche Rolle spielen Dichtungssysteme und -materialien bei der PEM-Elektrolyse?
Die Abdichtung ist entscheidend für die Trennung der Medien, die mechanische Stabilisierung der Zelle und die Verhinderung des Austritts von Reaktionsprodukten. Dichtungsmaterialien basieren in der Regel auf speziell entwickelten Elastomeren, die an die Betriebsbedingungen der PEM-Elektrolyse angepasst sind. In einigen Fällen werden diese Materialien intern entwickelt und optimiert, wie es Unternehmen wie ElringKlinger und EKPO praktizieren.
Durch die integrale Gestaltung von Bipolarplatten mit Strukturelementen wie Stützrahmen oder Drucktransportschichten lassen sich Dichtungskonzepte weiter verbessern. Der Einsatz von Wulst-basierten Dichtungstechnologien, bekannt aus Brennstoffzellenanwendungen, ermöglicht eine hochdruckbeständige Abdichtung und kann die Wasser- und Gasverteilung innerhalb der Zelle vereinfachen. Die präzise Auslegung von Dichtungssystemen, gestützt auf Materialexpertise und Fertigungs-Know-how, hat direkten Einfluss auf die Betriebssicherheit und Lebensdauer.
Beispiel: Bipolare Platte von EKPO
Welche Materialien werden für Bipolarplatten verwendet und wie entwickelt sich die Materialentwicklung?
Derzeit wird Titan aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit häufig für Bipolarplatten verwendet. Es gibt jedoch laufende Entwicklungen hin zu kostengünstigeren Materialien wie Edelstahl in Kombination mit geeigneten Beschichtungen.
Oberflächenbeschichtungen spielen eine entscheidende Rolle beim Korrosionsschutz und gewährleisten gleichzeitig eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Hersteller mit Fachwissen in den Bereichen Werkstoffe und Beschichtungstechnologien, wie beispielsweise EKPO Fuel Cell Technologies, arbeiten daran, diese Materialübergänge für zukünftige Anwendungen zu ermöglichen.
Welche Materialien werden für Bipolarplatten verwendet und wie entwickelt sich die Materialentwicklung?
Im Vergleich zu anderen Elektrolysetechnologien zeichnet sich die PEM-Elektrolyse durch einen geringeren Platzbedarf, eine höhere Dynamik bei Lastwechseln und einen hohen Wasserstoffausgangsdruck aus.
Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte, Flexibilität und Skalierbarkeit eignet sich die PEM-Elektrolyse besonders für Systeme mit schwankender Stromverfügbarkeit. Sie ist daher gut für die Integration mit erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Sonne geeignet.
Die Anwendungsmöglichkeiten der PEM-Elektrolyse sind vielfältig. Die Technologie wird beispielsweise eingesetzt für:
- Die Dekarbonisierung verschiedener Industriezweige: Wasserstoff aus der PEM-Elektrolyse wird auf vielfältige Weise genutzt, beispielsweise in der chemischen Industrie, der Metallverarbeitung, der Glasherstellung und der Lebensmittelproduktion.
- E-Mobilität: Die PEM-Elektrolyse liefert grünen Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge und ermöglicht emissionsfreie Mobilität mit großen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten, einschließlich Anwendungen in Lkw oder Schiffen.
- Energiespeicherung: PEM-Elektrolyseure können auch für die dezentrale Wasserstoffproduktion genutzt werden. Die PEM-Elektrolyse wandelt überschüssigen Strom aus erneuerbaren Quellen in Wasserstoff um, der dann gespeichert und bei Bedarf wieder in Strom umgewandelt oder direkt genutzt werden kann.
Wie beeinflusst Fertigungskompetenz die Leistung und Systemintegration?
Fertigungskompetenz spielt eine Schlüsselrolle bei der Realisierung leistungsstarker PEM-Elektrolysesysteme. Dazu gehören Kompetenzen in den Bereichen Umformen, Stanzen, Schweißen, Beschichten und Elastomerverarbeitung. Einige Hersteller, wie beispielsweise EKPO Fuel Cell Technologies, vereinen diese Kompetenzen in integrierten Produktionsumgebungen und wenden Automobilstandards an, um Qualität und Skalierbarkeit sicherzustellen.
Darüber hinaus ermöglicht ein tiefgreifendes Verständnis des elektrochemischen Zelldesigns die funktionale Integration mehrerer Komponenten in weniger Bauteile. Dies kann die Komplexität reduzieren, die Stapelfertigung vereinfachen, die Qualität verbessern und montagebedingte Fehler minimieren. Solche Ansätze tragen dazu bei, sowohl die technische Leistung als auch die Wirtschaftlichkeit von PEM-Elektrolysesystemen zu verbessern.
Beitrag von EKPO Fuel Cell Technologies GmbH
EKPO Fuel Cell Technologies (EKPO) ist ein führendes Joint Venture im Bereich der Entwicklung und Großserienfertigung von Brennstoffzellenstacks für CO2-neutrale Mobilität. Wir sind ein Komplettanbieter für Brennstoffzellenstacks und Komponenten, die in Lkw, Bussen, leichten Nutzfahrzeugen, aber auch in SUVs und größeren Pkw sowie für Bahn- und Schiffsanwendungen zum Einsatz kommen. Wir bauen auf der Industrialisierungskompetenz zweier etablierter internationaler Automobilzulieferer auf – ElringKlinger und OPmobility. Unser Ziel ist klar definiert: die Entwicklung und Serienfertigung von Hochleistungs-Brennstoffzellenstapeln zur Förderung der CO2-neutralen Mobilität – ob auf der Straße, der Schiene, zu Wasser oder im Off-Highway-Bereich.
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