Elektrolysezelle

Eine Elektrolysezelle ist eine elektrochemische Zelle, die elektrische Energie verwendet, um eine nicht spontane chemische Reaktion zu erzwingen. Der bekannteste Anwendungsfall ist die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. In der Zelle sind zwei Elektroden, eine Anode und eine Kathode, durch einen Elektrolyten voneinander getrennt. Der Elektrolyt kann eine wässrige Lösung, geschmolzene Salze oder eine Polymermembran sein. Zur Vermeidung des Vermischens der Gase können Separatoren oder Membranen eingesetzt werden. Die Elektrodenmaterialien und der Typ des Elektrolyten bestimmen Effizienz, Stabilität und Kosten.

Funktionsweise: An der Kathode erfolgt die Reduktion, in der Regel Wasserstoffbildung, an der Anode die Oxidation von Wasser zu Sauerstoff. In saurer Umgebung lautet die Totreaktion: 2 H2O -> O2 + 4 H+ + 4 e-; an der Kathode 4 H+ + 4 e- -> 2 H2. In alkalischer Umgebung laufen die entsprechenden Reaktionen über OH-. Die Gesamtreaktion lautet 2 H2O -> 2 H2 + O2. Die Zelle benötigt mehr als die thermodynamische Mindestspannung von ca. 1,23 V; reale Systeme arbeiten typischerweise mit Zellspannungen von etwa 1,6–2,0 V, bedingt durch Verluste (Überpotential, ohmische Widerstände).

Typen: Alkalische Elektrolyse (KOH), PEM-Elektrolyse (Protonenaustauschmembran), Hochtemperatur-Elektrolyse (SOEC) mit Dampf, oft in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen. Materialien: Elektroden aus Nickel- oder Stahllegierungen, Katalysatoren aus Platin, Iridium, Ruthenium; Membranen wie AEM oder PEM.

Anwendungen: Produktion von Wasserstoff für Industrie und Mobilität, Power-to-Gas-Speicherung, chemische Synthesen. Vorteile: saubere Wasserstoffproduktion mit erneuerbarer Energie. Herausforderungen: Kosten, Lebensdauer, Gasreinheit, Sicherheit und Integration in Energiesysteme.