Effizienzsteigerung in der Wasserstoffproduktion: Signifikante Platin-Einsparung bei PEM-Elektrolyseuren möglich
Die Wasserstofftechnologie gilt als zentraler Baustein für die Dekarbonisierung der Industrie. Ein kritischer Faktor bei der Herstellung von grünem Wasserstoff mittels der Protonen Austauschmembran-Elektrolyse (PEM) sind jedoch die hohen Materialkosten, insbesondere durch den Einsatz von Edelmetallen. Aktuelle Forschungsergebnisse der Technischen Universität Wien zeigen nun auf, dass der Platinverbrauch bei der Beschichtung essenzieller Bauteile drastisch reduziert werden kann, ohne die Funktionalität zu gefährden.
Die Herausforderung: Korrosionsschutz in aggressiven Umgebungen
Bei der Elektrolyse von Wasser wird elektrischer Strom genutzt, um Wassermoleküle in Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu spalten. Die technischen Anforderungen an die Hardware sind dabei extrem hoch: Das chemische Milieu innerhalb der Anlage ist hochgradig korrosiv. Metallische Komponenten neigen zur Auflösung oder zur Bildung von Oxidschichten, welche den Stromfluss behindern und die Lebensdauer der Anlage verkürzen.
Ein besonders kritischer Bestandteil sind die Bipolarplatten, die bis zu 30 Prozent der Gesamtsystemkosten ausmachen können. Diese Platten erfüllen simultan folgende Funktionen:
- Gewährleistung der mechanischen Stabilität
- Leitung des elektrischen Stroms
- Transport von Wasser und den entstehenden Gasen
Titan wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit häufig als Basismaterial für diese Platten eingesetzt. Um jedoch den Stromfluss nicht durch die natürliche Titanoxidbildung zu unterbrechen, werden die Oberflächen mit einer dünnen Platinschicht versehen. Die optimale Dicke dieser Schutzschicht war bislang Gegenstand wissenschaftlicher Debatten.
Optimierung der Schichtdicke: Einsparungspotenzial von 88 Prozent
Die Forscher der TU Wien haben die elektrochemischen Prozesse an unterschiedlichen Platinschichten systematisch untersucht. Während in der industriellen Praxis derzeit Schichtdicken von etwa 200 Nanometern üblich sind, lieferten die Experimente überraschende Erkenntnisse über die notwendige Mindestdicke:
- 24 Nanometer: Diese Schichtdicke erwies sich unter den Testbedingungen als ausreichend stabil und gewährleistete eine effiziente elektrische Leitfähigkeit.
- 8 Nanometer: Bei dieser geringen Dicke traten signifikante Materialschäden und eine erhöhte Freisetzung von Ionen auf.
Durch die Reduktion der Schichtdicke von den industriellen 200 Nanometern auf die ermittelten 24 Nanometer lässt sich der Platinbedarf für die Beschichtung um rund 88 Prozent senken.
Vermeidung des Materialzerfalls durch Defektmanagement
Die Untersuchung der Langzeitstabilität war entscheidend, um einen sogenannten „Selbstzerstörungs-Teufelskreis“ zu vermeiden. Wenn eine Platinschicht zu dünn oder defekt ist, wird das darunterliegende Titan angegriffen. Die daraus resultierende Oxidation und die Bildung von Sauerstoffblasen an der Grenzfläche erzeugen mechanische Spannungen. Dies führt zu weiteren Rissen in der Platinschicht, was wiederum mehr Titan freilegt und den Korrosionsprozess beschleunigt.
Durch hochauflösende Analysen konnte die TU Wien nachweisen, dass eine 24 Nanometer dicke Schicht diese Defekte weitgehend verhindert und die Freisetzung von Titan- und Platinionen in den Elektrolyten auf ein minimales Niveau begrenzt. Helmut Riedl-Tragenreif vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie betont, dass die bisherigen industriellen Standards materialwissenschaftlich nicht zwingend notwendig sind und ein enormes Potenzial zur Kostensenkung bieten.