PEM-Elektrolyse-Systeme zur Anwendung in Power-to-Gas Anlagen

Tjarks, Geert Hauke; Stolten, Detlef; Wessling, Matthias

doi:36075

PEM-Elektrolyse-Systeme zur Anwendung in Power-to-Gas Anlagen = PEM-electrolysis-systems for the integration in power-to-gas applications

Tjarks, Geert Hauke

2017

VerantwortlichkeitsangabeGeert Hauke Tjarks

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2017

UmfangIV, 135 Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-217-7

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 366

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor)^RWTH* ; Wessling, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-01-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-04470
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/689617/files/689617.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/689617/files/689617.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PEM electrolysis (frei) ; power-to-gas (frei) ; hydrogen production (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wasserstoff kann mit den Technologien der Wasserelektrolyse emissionsfrei aus elektrischer Energie hergestellt werden. Neben der alkalischen Elektrolyse wird seit einigen Jahren auch die Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstoff in Power-To-Gas Anlagen genutzt. Für einen wirtschaftlichen Einsatz der Technologie sind insbesondere hohe Wirkungsgrade des Elektrolyseurs und der Gesamtanlage notwendig.Gegenstand der Arbeit ist die energetische Betrachtung eines PEM-Elektrolyseurs für die Anwendung in einer Power-to-Gas Anlage. Dabei wird zunächst ein Gesamtmodell erstellt, welches durch Einzelzellmessungen parametriert wird. Mit dem erstellten Modell werden die Wirkzusammenhänge zwischen den Betriebsparametern und den spezifischen Verlusten des Elektrolyseurs identifiziert. Dabei zeigt sich, dass insbesondere das Thermomanagement deutlich durch die Betriebsparameter beeinflusst wird. So muss bei atmosphärischem Betrieb und maximal möglichen Temperaturen von 80° C über 50 Prozent der Verluste für die Heizung des Stacks aufgebracht werden. Diese Verluste ergeben sich aus den hohen Wasserdampfanteilen in den Produktgasen. Auf Grundlage der Ergebnisse wird eine optimierte Betriebsweise des Elektrolyseurs abgeleitet. Neben den Parametern der Betriebstemperatur und der Betriebsdrücke wird auch die Membrandicke als Auslegungsparameter berücksichtigt. Zur Reduzierung der Heizverluste ergibt sich eine Druckanhebung um wenige bar für einen effizienten Betrieb des Elektrolyseurs bei Stromdichten unterhalb von 1 A cm-2. Die Temperaturen sollten zur Reduzierung der Stackverluste aus Überspannungen auf die maximal möglichen 80° C eingestellt werden. Die optimale Membrandicke ergibt sich durch den Einfluss der Permeationsverluste und der ionischen Verluste. Bei Stromdichten oberhalb 1,5 A cm-2 sollten für Drücke bis 50 bar Membranen mit einer Dicke kleiner 100 μm gewählt werden. Für Betriebsbereiche unterhalb von 1 A cm-2 und Drücken bis zu 50 bar ergeben sich optimale Membrandicken von bis zu 300 μm. Mit der Wahl einer optimierten Auslegung des Elektrolyseurs wird eine energetische Untersuchung der gesamten Anlage durchgeführt. Dabei wird insbesondere ein optimales Druckniveau des Elektrolyseurs für einen effizienten Betrieb im Anlagenkontext ermittelt. Zur Bewertung der Optimierungsmaßnahmen werden die Ergebnisse mit zwei Referenzprozessen nach dem aktuellen Stand der Technik verglichen. Abhängig vom Betriebsfall ergeben sich optimale Druckniveaus des Elektrolyseurs zwischen 2 und 10 bar. Dabei zeigt sich, dass der Elektrolyseur im Anlagenkontext mit einem relativen Anteil von bis zu 94 Prozent den größten Verbraucher darstellt. Dagegen liegt der Anteil der Gaskompression bei maximal 5 Prozent und der Anteil der Gastrocknung bei unter einem Prozent. Durch die gewonnenen Ergebnisse wird eine Potentialanalyse für den Betrieb zukünftiger PEM-Elektrolyse-Anlagen zur großtechnischen Produktion von Wasserstoff durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass durch Entwicklungen auf Zellebene zukünftig Wirkungsgrade der Gesamtanlage von 68 bis 72 Prozent bezogen auf den unteren Heizwert möglich sind.

Hydrogen can be produced emission free from electric energy by the technology of water electrolysis. In addition to alkaline electrolysis also polymer-electrolyte-membrane (PEM) electrolysis is used for hydrogen production in power-to-gas applications for several years. For an economical use of the technology high efficiencies of the electrolyser and thecomplete plant are required. Subject of this work is an energetic investigation of PEM-electrolysers for the integration in power-to-gas applications. Therefore, a model of the complete plant is described, which can be initialized by single cell measurements. With the provided model correlations between operating parameters and specific losses of the electrolyser are identified. It can be shown that the operating parameters have a significant influence on the thermal management of the stack. Thus, for operating at atmospheric pressure and temperature of 80° C over 50 percent of the system losses are required for heating energy. These heating losses result from high content of water vapor in the product gases. With these results an optimized operating strategy for the electrolyser is derived. In addition to the parameters of temperature and pressure, the thickness of the membrane is investigated. To reduce the heating losses at current densities lower 1 A cm-2 the pressure of the product gases can be increased by just a few bar. For low stack losses, the temperature should be maintained at 80° C. The optimal thickness of the membrane depends on the permeation losses and the ohmic losses of ion conduction. For current densities over 1.5 A cm-2 and pressures up to 50 bar membranes with a thickness smaller 100 μm should be used. For an operating range under 1.5 A cm-2 and pressures up to 50 bar optimal membranes should have a thickness up to 300 μm. By the definition of an optimal operating strategy for the electrolyser an energetic consideration of the complete plant can be made. Particularly, the optimal operating pressure of the electrolyser under consideration of the gas compression and the gas drying is determined. To evaluate the optimization, the results are compared with two reference processes of current state of the art electrolysers. In dependence on the operation mode, optimal pressure levels between 2 and 10 bar results. In the power-to-gas plant, the electrolyser has the highest energy consumption with a percentage of up to 94 percent. For the gas compression a percentage of up to 5 percent is required. The gas drying with a percentage of under 1 percent has a very low impact on the total efficiency of the plant. With the obtained results, the potential of power-to-gas applications for a future production of hydrogen is estimated. By developments on the cell area, future power-to-gas plants can achieve efficiencies between 68 and 72 percent in relation the lower heating value. This includes the losses for power conditioning, hydrogen production, gas drying and gas compression.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)