Reduzierung des Platinverbrauchs bei der Wasserstoffelektrolyse
Die Elektrolyse von Wasser gilt als Schlüsseltechnologie für die zukünftige Nutzung von Wasserstoff als Energieträger, insbesondere in industriellen Anwendungen. Ein wesentlicher Kostenfaktor bei der Protonenaustauschmembran-(PEM)-Wasserelektrolyse ist der Einsatz von Platin, das für die Beschichtung korrosionsbeständiger Bauteile verwendet wird. Neue Untersuchungen der Technischen Universität Wien zeigen, dass der Platinbedarf signifikant gesenkt werden kann, ohne die Funktionalität der Elektrolyse zu beeinträchtigen.
Funktionsweise der PEM-Wasserelektrolyse
Bei der Wasserelektrolyse wird Wasser durch elektrischen Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. An der Anode entstehen Sauerstoffmoleküle, Protonen und Elektronen. Die Protonen passieren eine Membran und reagieren an der Kathode mit Elektronen zu Wasserstoffmolekülen.
Herausforderungen bei der Materialwahl
Die elektrochemischen Bedingungen in der Elektrolysezelle sind äußerst aggressiv und können metallische Komponenten angreifen. Insbesondere die Bipolarplatten, die mechanische Stabilität, elektrischen Stromtransport sowie den Fluss von Wasser und Gasen gewährleisten, sind kritisch. Diese Platten bestehen meist aus Titan aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit, bilden jedoch eine Oxidschicht, die den elektrischen Widerstand erhöht.
Um die Leitfähigkeit zu verbessern und das Titan zu schützen, werden die Bipolarplatten mit einer dünnen Platinschicht versehen. Die optimale Dicke dieser Schicht war bisher unklar.
Ergebnisse der TU Wien zur Platindicke
- Systematische Untersuchungen ergaben, dass eine Platinschicht von 24 Nanometern unter den getesteten Bedingungen ausreichend stabil und leitfähig ist.
- Bei einer Dicke von 8 Nanometern traten hingegen erhebliche Schäden und erhöhte Metallionenfreisetzung auf.
- Die bisher industriell verwendeten Schichten sind oft bis zu 200 Nanometer dick, sodass durch die Reduzierung auf 24 Nanometer etwa 88 % des Platins eingespart werden können.
Mechanismen der Schädigung bei zu dünnen Schichten
Defekte in der Platinschicht können zu einem sich selbst verstärkenden Zerstörungsprozess führen: Beschädigungen ermöglichen die Oxidation des Titans, was zur Bildung von Sauerstoffblasen und mechanischen Spannungen führt. Diese beeinträchtigen die Platinschicht weiter, wodurch größere Bereiche freigelegt und der Abbau beschleunigt wird.
Die Untersuchungen zeigten, dass die 8-Nanometer-Schicht nach Belastung deutliche Defekte aufwies und vermehrt Titan- und Platinionen in den Elektrolyten abgab. Die 24-Nanometer-Beschichtung blieb hingegen stabil und behielt ihre elektrische Leitfähigkeit.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Die optimale Dicke der Platinschicht hängt von verschiedenen Faktoren wie der Herstellungsqualität und Gleichmäßigkeit ab. Die Studien der TU Wien demonstrieren jedoch ein erhebliches Einsparpotenzial bei der Verwendung von Platin in PEM-Elektrolyseuren, was die Wirtschaftlichkeit dieser Technologie verbessern kann.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Prof. Helmut Riedl-Tragenreif
Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie
Technische Universität Wien
Telefon: +43 1 58801 30865
E-Mail: helmut.riedl@tuwien.ac.at
Referenz der Originalpublikation
A. Glitschthaler et al., „Toward Low-Pt PEMWE Components: Determining the Minimum Thickness of Pt Protection Coatings on Titanium BPP“, ACS Applied Materials & Interfaces, Band 18, Ausgabe 33 (2026).
https://pubs.acs.org/aamick/article/18/33/45195/5253263/Toward-Low-Pt-PEMWE-Components-Determining-the
