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So lässt sich Platin bei der Wasserstoffproduktion einsparen
Elektrolyseure zur Wasserstoffgewinnung benötigen robuste Bauteile, die oft mit teurem Platin geschützt werden. Neue Laborversuche zeigen, dass bei Titan-Bipolarplatten bereits eine rund 24 Nanometer dünne Schutzschicht ausreichen kann. Gegenüber einer 200 Nanometer dicken Beschichtung wären so rund 88 Prozent weniger Platin nötig, allerdings ist die industrielle Langzeitstabilität noch nicht belegt.
Wien (Österreich). Bei der Wasserelektrolyse zerlegt elektrischer Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Besonders die sogenannte PEM-Elektrolyse, bei der eine Protonenaustauschmembran die Reaktionsräume trennt, kann schwankenden Strom aus erneuerbaren Energien nutzen. Doch die Bauteile müssen dabei einer aggressiven elektrochemischen Umgebung standhalten.
Zu diesen Komponenten gehören Bipolarplatten, die Strom leiten, Wasser und Gase verteilen und dem Zellstapel mechanischen Halt geben. Häufig bestehen sie aus korrosionsbeständigem Titan. Dessen Oberfläche kann jedoch eine schlecht leitende Oxidschicht bilden, weshalb die Platten zusätzlich mit Platin beschichtet werden.
Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) um Arno Gitschthaler haben nun untersucht, wie weit sich die Platinmenge reduzieren lässt, ohne den Schutz des Titans zu verlieren. Dazu stellten sie zwei besonders dünne Beschichtungen her und testeten diese unter elektrochemischen Bedingungen, die die Belastung in einem Elektrolyseur nachbilden sollen.
Die Platinschichten waren im Querschnitt durchschnittlich etwa acht beziehungsweise 24 Nanometer dick. Die Forscher setzten die beschichteten Titanproben unter anderem 24 Stunden lang einer elektrischen Belastung in einer 75 Grad Celsius warmen, sauren Testlösung aus. Anschließend prüften sie mit hochauflösender Mikroskopie und chemischen Analysen, ob die Oberflächen beschädigt waren und Metallionen freigesetzt wurden.
„Wir haben die Schichten vor und nach der elektrochemischen Belastung mit hochauflösenden Methoden analysiert“, sagt Prof. Helmut Riedl-Tragenreif von der Technischen Universität Wien (TU Wien).
Die dünnere Schicht zeigte nach den Tests deutlich mehr Defekte. Zugleich enthielt die Testlösung wesentlich höhere Konzentrationen von Titan- und Platinionen, was auf eine Schädigung der Beschichtung und des darunterliegenden Metalls hindeutet. Die 24 Nanometer dicke Variante blieb dagegen weitgehend unversehrt und begrenzte die Freisetzung von Metallionen auf ein niedriges Niveau.
Dabei konnten beide Beschichtungen den elektrischen Kontaktwiderstand unter dem verwendeten Vergleichswert halten. Die acht Nanometer dünne Schutzschicht scheiterte also nicht unmittelbar an ihrer Leitfähigkeit, sondern vor allem an der geringeren Beständigkeit. Nach den Materialanalysen war die dickere Platinschicht deutlich dichter und bot weniger Angriffspunkte.
Eine mögliche Erklärung liefern mikroskopische Fehlstellen. Durch sie können Sauerstoff und Elektrolyt bis zum Titan vordringen, dessen Oxidation und möglicherweise Gasblasen an der Grenzfläche Spannungen erzeugen. Dadurch könnten sich Risse vergrößern und Teile der Schutzschicht ablösen, sodass noch mehr Titan ungeschützt bleibt.
Der Unterschied könnte wirtschaftlich erheblich sein. Industriell eingesetzte Platinbeschichtungen auf Titan-Bipolarplatten erreichen oft 200 Nanometer oder mehr. Verglichen mit einer 200 Nanometer dicken Schicht ließe sich die Platinmenge bei gleicher Fläche durch eine 24 Nanometer dünne Beschichtung rechnerisch um rund 88 Prozent verringern. Diese Einsparung betrifft allerdings die Schutzbeschichtung und nicht den gesamten Platinbedarf oder die Gesamtkosten eines Elektrolyseurs.