Glossar

Die alkalische Elektrolyse ist eine bewährte Methode zur Herstellung von Wasserstoff, bei der Wasser in seine Bestandteile zerlegt wird. Dabei wird ein alkalischer Elektrolyt verwendet, üblicherweise eine Kalium- oder Natriumhydroxid-Lösung, um den Ionentransport zwischen den Elektroden zu ermöglichen.

Der alkalische Elektrolyseur spaltet Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff. Als Elektrolyt dient Kalilauge, welches eine Konzentration von 20-40 % aufweist. Reines Wasser wird in die Kathode des Elektrolyseurs geleitet und dort mittels eines Katalysators aufgespalten. Wasserstoff entsteht direkt auf der Kathodenseite, wohingegen die Sauerstoff-Ionen durch die alkalische Lösung geleitet werden und auf der Anodenseite zu Sauerstoff reagieren.
Hochmoderne Wasserelektrolyseure mit alkalischen Elektrolyten führen derzeit aufgrund des eingesetzten Materials zu wettbewerbsfähigen und besseren Wirkungsgraden als saure PEM-Wasserelektrolyse.

Die Anode ist der Pol in einer elektrochemischen Zelle, an dem die Oxidation stattfindet. Hier werden Elektronen freigesetzt, die über den Stromkreis zur Kathode fließen. In Brennstoffzellen wird beispielsweise an der Anode Wasserstoff oxidiert. In einer elektrochemischen Zelle gibt die Anode Elektronen ab, während die Kathode Elektronen aufnimmt. Bei Brennstoffzellen wird an der Anode beispielsweise Wasserstoff so umgewandelt, dass Elektronen freigesetzt werden, die dann zur Kathode fließen, wo sie mit Sauerstoff reagieren und Wasser bilden.

Eine Bipolarplatte ist ein wesentlicher Bestandteil in Brennstoffzellenstapeln. Sie trennt einzelne Zellen, leitet den elektrischen Strom weiter und sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der Gase an den Elektroden. Zudem unterstützt sie das Wärmemanagement und den Wassertransport innerhalb der Zelle

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches System, das chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. Dabei wird in der Regel Wasserstoff als Brennstoff genutzt, der an der Anode in Protonen und Elektronen zerlegt wird. Die Protonen wandern über einen geeigneten Elektrolyten zur Kathode, während die Elektronen über einen externen Stromkreis fließen und dabei nutzbaren Strom erzeugen. An der Kathode reagieren sie mit Sauerstoff zu Wasser – das einzige Nebenprodukt dieser Reaktion, neben Wärme.

CO₂, oder Kohlendioxid, ist ein farb- und geruchloses Gas, das in der Atmosphäre vorkommt. Es entsteht bei Verbrennungsprozessen und industriellen Aktivitäten und spielt als Treibhausgas eine wichtige Rolle im Klimawandel.

Elektrolyse beschreibt den Prozess einer chemischen Spaltung, bei der durch elektrischen Strom eine Redoxreaktion erzwungen wird. Die Elektrolyse findet bei verschiedensten technischen Stofftrennungen Anwendung – unter anderem bei der Gewinnung von Wasserstoff. Ein Elektrolyseur spaltet Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Wird zur Erzeugung beider Komponenten ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien wie Solar-, Wind- oder Wasserkraftanlagen genutzt, spricht man von grünem Wasserstoff. Die Technologie der Elektrolyse entspricht dem Funktionsprinzip einer Brennstoffzelle – nur umgekehrt. In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasserdampf, wobei beim Elektronenübergang auch elektrische Energie umgewandelt wird.

Elektrolyse-Verfahren
Es gibt drei Haupttypen von Wasserelektrolysegeräten, die sich hauptsächlich durch den verwendeten Elektrolyten, der Betriebstemperatur oder dem Aufbau der Elektrolysezelle unterscheiden.

Ein Elektrolyt ist eine Substanz, meist in Form einer Lösung, die Ionen enthält und dadurch den elektrischen Strom leitet. In elektrochemischen Systemen wie Batterien oder Brennstoffzellen ermöglicht er den Ionentransport zwischen den Elektroden und ist damit essenziell für die Umwandlung chemischer in elektrische Energie.

Erneuerbare Energiequellen umfassen alle Energiequellen, die sich durch natürliche Prozesse regenerieren und nahezu unerschöpflich sind. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen entstehen sie meist mit geringeren Treibhausgasemissionen und tragen zur Reduzierung der Umweltauswirkungen bei. Die wichtigsten Formen sind Sonnen- und Windenergie sowie Wasserkraft, Biomasse und Geothermie.

Fossile Brennstoffe sind Energieträger, die aus den Überresten von Pflanzen und Tiere über Millionen von Jahren unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen entstanden sind. Die drei wichtigsten fossilen Brennstoffe sind Kohle, Erdöl und Erdgas. Angesichts der begrenzten Vorräte und der Umweltprobleme wird weltweit vermehrt in erneuerbare Energien investiert, um eine nachhaltigere und klimafreundlichere Energieversorgung zu realisieren.

Fügestationen für SOFC-Brennstoffzellen sind spezielle Fertigungsbereiche, in denen die einzelnen Komponenten – wie Elektrolyte, Elektroden und Interconnects – miteinander verbunden werden. Dabei kommen unterschiedliche Fügetechniken, etwa keramische Klebe- und Sinterverfahren, zum Einsatz, um dauerhafte, dichte Verbindungen zu schaffen, die den hohen Temperaturen und thermischen Belastungen im Betrieb standhalten.

Grüner Wasserstoff wird umweltfreundlich hergestellt, meist durch Elektrolyse von Wasser unter Einsatz erneuerbarer Energien. Dadurch entstehen keine CO₂-Emissionen, was ihn zu einer klimafreundlichen Alternative zu herkömmlich aus fossilen Brennstoffen gewonnenem Wasserstoff macht.

Die HORIBA Group ist ein weltweit führender Anbieter von Analyse- und Messtechnologien. Das Unternehmen ist in verschiedenen Schlüsselbereichen aktiv, darunter Energie & Umwelt, Bio & Healthcare sowie Materialien & Halbleiter. Mit innovativen Technologien – etwa zur Nutzung neuer Energiequellen, CO₂-Abscheidung, in der pharmazeutischen Forschung und bei der Optimierung von Halbleiterprozessen – leistet HORIBA einen Beitrag zu einer nachhaltigen Gesellschaft.

Der Aufbau einer Hochtemperatur-Elektrolysezelle gleicht dem Aufbau einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), allerdings dient bei der Elektrolyse die Brennstoffelektrode als Kathode und die Sauerstoffelektrode als Anode. Die Technik eignet sich für eine bi-funktionale Auslegung - eine reversible Feststoff-Brennstoffzelle (auch als SOFC-SOEC Kombination bezeichnet).

Hot-Box-Systeme sind Testaufbauten, in denen Brennstoffzellenstapel unter kontrollierten, erhitzten Bedingungen betrieben werden. Sie ermöglichen die Überprüfung des Wärmemanagements, der Leistung und Zuverlässigkeit, indem die Temperaturverteilung genau analysiert wird.

Die Impedanzspektroskopie misst den elektrischen Widerstand und andere Eigenschaften eines Systems, indem es es mit einem kleinen Wechselstrom über verschiedene Frequenzen anregt. In Brennstoffzellen hilft diese Methode, interne Verluste und Reaktionsprozesse an den Elektroden sowie im Elektrolyten zu analysieren, um die Leistung und Effizienz zu optimieren.

Ein Katalysator ist ein Stoff, der chemische Reaktionen beschleunigt, indem er die benötigte Aktivierungsenergie senkt, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. In Brennstoffzellen unterstützen Katalysatoren beispielsweise die Reaktionen an den Elektroden, um eine effizientere Umwandlung von chemischer in elektrische Energie zu ermöglichen.

Die Kathode ist der Elektrodenpol, an dem die Reduktion stattfindet. Hier werden Elektronen aufgenommen, wodurch in Brennstoffzellen beispielsweise der Sauerstoff reduziert und mit Wasserstoffionen zu Wasser reagiert. In einer elektrochemischen Zelle gibt die Anode Elektronen ab, während die Kathode Elektronen aufnimmt. Bei Brennstoffzellen wird an der Anode beispielsweise Wasserstoff so umgewandelt, dass Elektronen freigesetzt werden, die dann zur Kathode fließen, wo sie mit Sauerstoff reagieren und Wasser bilden.

Keramik-MEAs (Membrane-Elektroden-Anordnungen) sind zentrale Komponenten in Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie SOFCs. Sie bestehen aus einem keramischen Elektrolyten, der von Elektroden umgeben ist, und ermöglichen so die effiziente Umwandlung chemischer in elektrische Energie. Die Keramik sorgt für hohe thermische und chemische Stabilität im Betrieb.

Niedertemperaturzellen sind elektrochemische Zellen, die bei moderaten Temperaturen – meist von Zimmertemperatur bis etwa 80 °C – betrieben werden. Diese Zellen können schnell starten und reagieren schnell auf Laständerungen. Ein bekanntes Beispiel sind PEM-Brennstoffzellen, die aufgrund ihrer schnellen Reaktionsfähigkeit und hohen Leistungsdichte in vielen mobilen und stationären Anwendungen eingesetzt werden.

PEM-Brennstoffzellen arbeiten bis 80 °C und nutzen eine Polymermembran als Elektrolyt. Sie liefern hohe Stromdichten, reagieren rasch auf Lastwechsel und eignen sich für tragbare Anwendungen (10 W bis 1 MW). Vorteile sind schnelle Inbetriebnahme, hohe Leistungsdichte und niedrige Betriebstemperatur; Nachteile sind teure Katalysatoren, Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen sowie der Bedarf an reinem Wasserstoff und komplexem Wassermanagement.

PEM - Proton-Exchange-Membran-Elektrolyse – reines Wasser wird in die Anode des Elektrolyseurs geleitet und dort mittels eines Katalysators aufgespalten. Sauerstoff entsteht direkt auf der Anodenseite, wohingegen die Wasserstoff-Ionen durch eine feste Polymermembran geleitet werden und auf der Kathodenseite zu Wasserstoff reagieren.

Im PEM-​Elektrolyseur kommt ein Festpolymer-​Elektrolyt - auch als Protonen-​Austausch-Membran bezeichnet - zum Einsatz. Der PEM-​Elektrolyseur spaltet Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei wird flüssiges Wasser in die Anode des Elektrolyseurs geleitet und dort mittels eines Katalysators aufgespalten. Sauerstoff entsteht direkt auf der Anodenseite. Die Wasserstoff-​Ionen diffundieren durch die Protonen-​Austausch-Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoff reagieren. Wasserstoff und Sauerstoff sind durch die Membran physikalisch voneinander getrennt. So wird verhindert, dass Sauerstoff in den Wasserstoffstrom gelangt. Der gewonnene Wasserstoff kann vielfältig eingesetzt werden und beispielsweise mit einer Brennstoffzelle in Strom und Wärme umgewandelt werden. Reversible PEM-​Brennstoffzellen können aufgrund der hohen Arbeitstemperaturen im Brennstoffzellen-​ als auch im Elektrolysemodus betrieben werden.

Eine Polymer-Membran, auch als Protonenaustauschmembran bekannt, ist ein dünnes, flexibles Kunststoffmaterial, das in Brennstoffzellen den Protonentransport zwischen den Elektroden ermöglicht und gleichzeitig verhindert, dass sich Wasserstoff und Sauerstoff direkt vermischen.

Ein Prüfling ist ein Gerät, eine Komponente oder ein System, das in Tests auf Leistung, Funktion und Sicherheit untersucht wird. In der Brennstoffzellentechnologie können Prüflinge einzelne Zellen, Zellstapel oder komplette Brennstoffzellensysteme sein, die in speziellen Prüfständen oder unter kontrollierten Bedingungen getestet werden.

In Brennstoffzellen wie PEM-Zellen muss Reformatgas häufig gereinigt werden, um schädliche Stoffe wie Kohlenmonoxid zu entfernen. Im Gegensatz dazu spaltet die Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch nahezu reiner Wasserstoff entsteht – allerdings mit höherem Energieaufwand.

Sintern, auch Sinterverfahren genannt, ist ein Herstellungsprozess, bei dem feine Pulverpartikel durch Erhitzen – allerdings unterhalb ihres Schmelzpunkts – miteinander verbunden werden. Dadurch entsteht ein fester, dichte Werkstoff, der häufig in der Produktion von keramischen Bauteilen, wie etwa in SOFC-Brennstoffzellen, eingesetzt wird.

Stacks, oft auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet, sind Anordnungen mehrerer einzelner Brennstoffzellen, die in Serie oder parallel geschaltet werden, um höhere Spannungen und Leistungen zu erzielen. Sie ermöglichen so die effiziente Umwandlung von chemischer in elektrische Energie in verschiedenen Anwendungen.

Die Solid-Oxide-Elektrolyse (SOEC) ist ein elektrochemischer Prozess, der bei hohen Temperaturen – typischerweise zwischen 700 und 1.000 °C – abläuft, um Wasser (oder auch Kohlendioxid) in seine Bestandteile zu zerlegen. Im Gegensatz zur Niedertemperatur-Elektrolyse nutzt die SOEC den thermischen Anteil der Energie, was zu einer höheren Gesamtwirkungsgrad führen kann.

Die allgemeine Funktion des SOEC-Elektrolyseurs besteht darin, Wasserdampf in reinen Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Prozess findet bei Temperaturen zwischen 600°C und 1050°C statt, um eine hohe Ionenleitung des meist keramischen Elektrolyten zu erreichen. In die Kathode des Elektrolyseurs wird Wasserdampf geleitet. Wird eine Spannung angelegt, startet die Reaktion und der Dampf bewegt sich zur Kathoden-Elektrolyt-Grenzfläche, wo er reduziert wird. Dabei bilden sich reiner Wasserstoff und Sauerstoff-Ionen, die den Elektrolyten passieren und auf der Anodenseite zu Sauerstoff oxidiert werden. Der keramische Elektrolyt dient somit nicht nur als Ionenleiter, sondern auch als räumliche Trennung der beiden Halbzellen.

Stromdichte bezeichnet die Menge an elektrischem Strom, die pro Flächeneinheit fließt – gemessen in Ampere pro Quadratmeter (A/m²). Sie ist ein wichtiger Indikator für die Leistungsfähigkeit von elektrochemischen Zellen, da hohe Stromdichten auf eine konzentrierte Energieabgabe hinweisen.

Systeme sind komplette Anlagen, die aus einzelnen Brennstoffzellen bestehen, die zu einem Zellstapel zusammengefasst und durch weitere Komponenten ergänzt werden. Diese Systeme wandeln chemische Energie effizient in elektrische Energie um und sind eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Antriebstechnologien.

Wärmemanagement umfasst alle Maßnahmen zur Kontrolle und Regulierung der Temperatur in einem System. In Brennstoffzellen sorgt ein effektives Wärmemanagement dafür, dass überschüssige Wärme abgeführt und die Temperatur gleichmäßig verteilt wird, um optimale Leistung und Sicherheit zu gewährleisten.

Wasserstoff ist ein chemisches Element mit dem Symbol H und stellt das leichteste sowie das am häufigsten vorkommende Element im Universum dar. Dank seiner hohen Energiedichte und der Möglichkeit, ihn emissionsarm herzustellen, beispielsweise durch die Elektrolyse von Wasser unter Einsatz erneuerbarer Energien, gilt er als wesentlicher Baustein für eine zukunftsfähige, nachhaltige Energieversorgung. Zudem bieten Brennstoffzellen, in denen Wasserstoff in elektrische Energie umgewandelt wird, eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren.

Eine Zelle ist die grundlegende Einheit einer elektrochemischen Anlage, die chemische in elektrische Energie umwandelt. In Brennstoffzellen besteht sie typischerweise aus Anode, Kathode und einem Elektrolyten, die zusammen die nötigen Reaktionen ermöglichen.

Bei Zellstapeln handelt es sich um eine Anordnung mehrerer einzelner Brennstoffzellen, die zusammen eine höhere Gesamtleistung erzielen. Dabei werden die Zellen über Bipolarplatten verbunden, die Strom weiterleiten, Gase verteilen und für das Wärmemanagement sorgen.