Ein Problem bei der PEM-Wasserelektrolyse sind die Kosten für die besonders korrosionsbeständigen Bauteile. Manche davon werden mit Platin beschichtet. Experimente der TU Wien haben nun die elektrochemischen Prozesse an solchen Platinschichten näher unter die Lupe genommen. Dabei zeigt sich: Wenn man es richtig macht, kommt man mit deutlich weniger Platin aus als bisher üblich.
Chemisches Umfeld in der Elektrolysezelle greift Metalle an
Die technische Umsetzung der Elektrolyse ist kompliziert: „Bei der Elektrolyse herrscht ein chemisches Umfeld, das für viele metallische Bauteile schädlich ist. Metall kann sich auflösen, gleichzeitig können sich Oxidschichten bilden, die den Stromfluss behindern“, erläutert Helmut Riedl-Tragenreif vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien. Wenn die Anlage lange funktionsfähig bleiben soll, muss man die Bauteile aufeinander abstimmen. Besonders wichtig sind dabei die Bipolarplatten, die bis zu 30 % der Systemkosten ausmachen.
Diese Bipolarplatten sorgen für die mechanische Stabilität, leiten elektrischen Strom und ermöglichen den Transport von Wasser und Gasen. Als Material eignet sich dafür Titan, das auch unter aggressiven Bedingungen sehr korrosionsbeständig ist. Allerdings bildet sich an der Titanoberfläche eine Oxidschicht, die den Stromfluss behindert.
Deshalb werden Bipolarplatten mit einer Platinschicht überzogen. Sie leitet Strom, ist korrosionsbeständig und schützt das darunter liegende Titan. Wie dick diese Platinschicht sein muss, wurde nun an der TU Wien untersucht. Das Ergebnis: Eine 24 nm dünne Platinschicht erwies sich als ausreichend. Bei einer Schichtdicke von 8 nm hingegen traten Probleme auf.
88 % Materialensparung beim Platin möglich
Im Vergleich zu einer 200 nm dicken Beschichtung, wie sie bisher industriell verwendet wird, ließen sich rund 88 % des Platins einsparen. Um das zu zeigen, muss man auch untersuchen, wie widerstandsfähig die Schutzschicht unter den Betriebsbedingungen ist. „Wir haben die Schichten vor und nach der elektrochemischen Belastung mit hochauflösenden Methoden analysiert“, sagt Riedl-Tragenreif. „Wichtig ist vor allem, ob in der Schicht mikroskopische Defekte auftreten.“
Solche Defekte können zu einem Teufelskreis führen: Ist die Platin-Schutzschicht an einer Stelle beschädigt, kann das darunter liegende Titan angegriffen werden. Es oxidiert, möglicherweise bilden sich an der Grenzfläche auch kleine Sauerstoffblasen. Das kann mechanische Spannungen verursachen und die Platinschicht weiter schädigen. Größere Teile der Beschichtung können sich ablösen, noch mehr Titan liegt frei – und der Prozess beschleunigt sich.
Bei der 8 nm dünnen Platinschicht fanden die Forscher Hinweise auf eine solche Schädigung: Nach der Belastung wies sie größere Defekte auf, gleichzeitig gelangten mehr Titan- und Platinionen in den Elektrolyten. Die 24 nm dicke Schicht hingegen blieb weitgehend intakt und behielt ihre elektrische Leitfähigkeit. Die Freisetzung von Metallionen konnte auf ein sehr niedriges Niveau begrenzt werden.