TY - THES

T1 - Entwicklung eines Teststandes zur Bestimmung der Permeabilität poröser Materialien in Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren

AU - Rubasch, Simon

N1 - gesperrt bis 30-12-2028

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - In Elektrolyseuren wird Wasser mithilfe von elektrischer Energie in die Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Wasserstoff gilt als Schlüsselelement in der Energiewende, um erneuerbaren Strom aus Windenergie, Sonnenenergie, Wasserkraft, etc. zwischenzuspeichern, um die Erzeugung vom Verbrauch zu entkoppeln. Eine Technologie, die sich für diese Anwendung besonders eignet, ist die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse. Das Wasser gelangt über poröse Transportschichten zur Zellmembran, an der die Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff abläuft. Die porösen Transportschichten haben die Aufgabe, das Wasser durch deren inneren Widerstand über die gesamte Membranfläche zu verteilen. Weiters sind sie zuständig, um die produzierten Gase aus der Zelle abzutransportieren und die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Elektrode und der Membran herzustellen. Durch den inneren Widerstand der porösen Transportmaterialien stellt sich ein Druckverlust ein, der in dieser Arbeit näher untersucht werden soll. Dadurch soll der Druckverlust von Stacks und Zellen besser verstanden und schlussendlich der Gesamtwirkungsgrad einer Protonenaustauschmembran-Elektrolyse optimiert werden. Dazu werden die gängigsten Materialien, die derzeit in Elektrolyseuren anoden- und kathodenseitig zum Einsatz kommen, näher betrachtet und deren Druckverlust bei Durchströmung der Medien mit Fluiden gemessen. Um die porösen Materialen hinsichtlich ihres Druckverlustes bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten beschreiben zu können, wird ein Testblock entwickelt. Auf Basis der Ergebnisse werden mathematische Funktionen aufgestellt, um die Permeabilität, den viskosen und den kinetischen Widerstand der unterschiedlichen porösen Materialen abschätzen zu können. Durch eine Auflistung möglicher Fehlereinflüsse zu Beginn der Arbeit kann auf deren Vermeidung bzw. Minderung bei der Durchführung der Versuche geachtet werden. Die Haupteinflüsse stellen dabei der Zuschnitt der Proben und die Reihenfolge der Proben dar, wenn mehrere Proben übereinander im Testblock eingebaut werden. Durch die Beachtung möglicher Fehlereinflüsse ist es möglich, reproduzierbare Daten zu generieren. Die Untersuchungen zeigen, dass beispielsweise die Anzahl der Proben einen wesentlichen Einfluss auf den Druckverlust darstellt, ebenso die Anpresskraft auf die Proben, welche sich vor allem jenen Proben mit höherer Elastizität einstellt. Aus den aufgenommenen Druckverlustpunkten der getesteten Materialien kann eine Trendlinie herausgelesen werden, mithilfe derer sich die Permeabilität, der viskose und kinetische Widerstand berechnen lässt.

AB - In Elektrolyseuren wird Wasser mithilfe von elektrischer Energie in die Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Wasserstoff gilt als Schlüsselelement in der Energiewende, um erneuerbaren Strom aus Windenergie, Sonnenenergie, Wasserkraft, etc. zwischenzuspeichern, um die Erzeugung vom Verbrauch zu entkoppeln. Eine Technologie, die sich für diese Anwendung besonders eignet, ist die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse. Das Wasser gelangt über poröse Transportschichten zur Zellmembran, an der die Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff abläuft. Die porösen Transportschichten haben die Aufgabe, das Wasser durch deren inneren Widerstand über die gesamte Membranfläche zu verteilen. Weiters sind sie zuständig, um die produzierten Gase aus der Zelle abzutransportieren und die elektrische Leitfähigkeit zwischen der Elektrode und der Membran herzustellen. Durch den inneren Widerstand der porösen Transportmaterialien stellt sich ein Druckverlust ein, der in dieser Arbeit näher untersucht werden soll. Dadurch soll der Druckverlust von Stacks und Zellen besser verstanden und schlussendlich der Gesamtwirkungsgrad einer Protonenaustauschmembran-Elektrolyse optimiert werden. Dazu werden die gängigsten Materialien, die derzeit in Elektrolyseuren anoden- und kathodenseitig zum Einsatz kommen, näher betrachtet und deren Druckverlust bei Durchströmung der Medien mit Fluiden gemessen. Um die porösen Materialen hinsichtlich ihres Druckverlustes bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten beschreiben zu können, wird ein Testblock entwickelt. Auf Basis der Ergebnisse werden mathematische Funktionen aufgestellt, um die Permeabilität, den viskosen und den kinetischen Widerstand der unterschiedlichen porösen Materialen abschätzen zu können. Durch eine Auflistung möglicher Fehlereinflüsse zu Beginn der Arbeit kann auf deren Vermeidung bzw. Minderung bei der Durchführung der Versuche geachtet werden. Die Haupteinflüsse stellen dabei der Zuschnitt der Proben und die Reihenfolge der Proben dar, wenn mehrere Proben übereinander im Testblock eingebaut werden. Durch die Beachtung möglicher Fehlereinflüsse ist es möglich, reproduzierbare Daten zu generieren. Die Untersuchungen zeigen, dass beispielsweise die Anzahl der Proben einen wesentlichen Einfluss auf den Druckverlust darstellt, ebenso die Anpresskraft auf die Proben, welche sich vor allem jenen Proben mit höherer Elastizität einstellt. Aus den aufgenommenen Druckverlustpunkten der getesteten Materialien kann eine Trendlinie herausgelesen werden, mithilfe derer sich die Permeabilität, der viskose und kinetische Widerstand berechnen lässt.

KW - PEM-Elektrolyse

KW - poröse Transportschichten

KW - poröse Materialien

KW - Druckverlust

KW - PEM electrolysis

KW - porous transport layers

KW - porous materials

KW - pressure loss

U2 - 10.34901/mul.pub.2024.104

DO - 10.34901/mul.pub.2024.104

M3 - Masterarbeit

ER -