Effizienzsteigerung in der Wasserstoffproduktion: Signifikante Platin-Einsparungen durch optimierte Beschichtungen möglich
Die Elektrolyse von Wasser gilt als Schlüsseltechnologie für die zukünftige Wasserstoffwirtschaft, insbesondere im industriellen Sektor. Ein wesentlicher Kostenfaktor bei der PEM-Elektrolyse (Proton Exchange Membrane) ist die Verwendung teurer Edelmetalle wie Platin, um die notwendige Korrosionsbeständigkeit der Komponenten zu gewährleisten. Neue Untersuchungen der Technischen Universität Wien zeigen jedoch, dass der aktuelle Platinverbrauch deutlich reduziert werden kann, ohne die Funktionalität der Anlagen zu gefährden.
Die Herausforderung der Materialbeständigkeit
Bei der Wasserelektrolyse werden Wassermoleküle mithilfe von elektrischem Strom in Sauerstoff, Protonen und Elektronen gespalten. Dieser Prozess findet in einem chemisch hochaggressiven Umfeld statt, das metallische Bauteile angreift. Um die Langlebigkeit der Anlagen sicherzustellen, müssen die Komponenten präzise aufeinander abgestimmt sein.
Ein zentrales Element sind die Bipolarplatten, die bis zu 30 Prozent der Gesamtsystemkosten ausmachen können. Diese Platten erfüllen mehrere Funktionen gleichzeitig:
- Gewährleistung der mechanischen Stabilität
- Leitung des elektrischen Stroms
- Transport von Wasser und Gasen
Titan wird aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit häufig als Basismaterial für diese Platten eingesetzt. Da sich an der Titanoberfläche jedoch eine Oxidschicht bildet, die den Stromfluss behindert, werden die Platten mit einer dünnen Platinschicht überzogen. Diese Schicht dient als leitfähiger und korrosionsbeständiger Schutzschild.
Optimierung der Schichtdicke zur Kostensenkung
Die Forschung der TU Wien untersuchte systematisch, welche Dicke diese Platinschicht mindestens aufweisen muss, um dauerhaft stabil zu bleiben. Während in der Industrie derzeit oft Schichten mit einer Dicke von etwa 200 Nanometern verwendet werden, lieferten die Experimente überraschende Ergebnisse:
- 24 Nanometer: Diese Schichtdicke erwies sich unter den Testbedingungen als ausreichend stabil und leitfähig.
- 8 Nanometer: Diese Schicht war zu dünn und führte zu massiven Materialschäden.
Durch den Einsatz einer nur 24 Nanometer dünnen Schicht anstelle der industriellen 200 Nanometer ließe sich der Platinverbrauch für die Schutzbeschichtung um etwa 88 Prozent senken.
Vermeidung von Materialdegradation und Defekten
Die Untersuchung konzentrierte sich nicht nur auf die anfängliche Funktion, sondern vor allem auf die langfristige Widerstandsfähigkeit gegenüber elektrochemischer Belastung. Ein zu geringer Schichtaufbau kann einen zerstörerischen Prozess auslösen:
Ist die Platinschicht beschädigt, wird das darunterliegende Titan angegriffen und oxidiert. Dies kann zur Bildung von Sauerstoffblasen an der Grenzfläche führen, was wiederum mechanische Spannungen erzeugt. Diese Spannungen beschleunigen die Ablösung der Platinschicht, wodurch immer mehr Titan freigelegt wird – ein sich selbst beschleunigender Verschleißprozess.
In den Versuchen mit 8 Nanometern dicken Schichten konnten deutliche Anzeichen für solche Defekte sowie eine erhöhte Freisetzung von Titan- und Platinionen in den Elektrolyten nachgewiesen werden. Die 24 Nanometer dicke Schicht hingegen blieb weitgehend intakt und hielt die Metallionenfreisetzung auf einem minimalen Niveau.
Fazit für die industrielle Anwendung
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die derzeitigen Standards bei der Schichtdicke materialwissenschaftlich nicht zwingend erforderlich sind. Die optimale Schichtdicke wird zwar von weiteren Faktoren wie der Herstellungstechnik und der Gleichmäßigkeit der Beschichtung beeinflusst, doch das Potenzial zur massiven Reduktion der Platin-Kosten in Elektrolyseuren ist durch diese Erkenntnisse klar belegt.