Österreichische Studie: Dünne Platinbeschichtung kann Metallverbrauch von Wasserstoffanlagen um bis zu 88 % senken

Forscher der Technischen Universität Wien in Österreich haben entdeckt, dass dünnere Platinbeschichtungen Bauteile, die in der Wasserstoffproduktion eingesetzt werden, wirksam schützen können. Diese Entdeckung könnte den Bedarf an Edelmetallen für diese Schutzschichten um etwa 88 % senken. In der Studie wurden platinbeschichtete Titan-Bipolarplatten für die Protonenaustauschmembran-(PEM-)Wasserelektrolyse untersucht. Unter den untersuchten Bedingungen blieb eine Beschichtung mit einer Dicke von nur 24 Nanometern größtenteils intakt und behielt nach elektrochemischer Belastung eine gute elektrische Leitfähigkeit. Diese Ergebnisse weisen auf einen möglichen Weg zur Senkung der Anlagenkosten hin. Die Forscher warnen jedoch, dass die optimale Dicke von mehreren Faktoren abhängt, darunter die Herstellungsweise der Beschichtung und die Gleichmäßigkeit ihrer Oberflächenbedeckung.

Warum Wasserstoffanlagen Platinmetall benötigen. Die Elektrolyse nutzt Strom, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. An einer Elektrode entstehen bei diesem Prozess Sauerstoff, positiv geladene Wasserstoffionen (Protonen) und Elektronen. Die Protonen durchqueren die Membran zu einer zweiten Elektrode, wo sie sich mit Elektronen zu Wasserstoff verbinden. Die Anlage unter diesen Bedingungen in Betrieb zu halten, ist schwieriger, als die Grundreaktion erwarten lässt. „Der Elektrolyseprozess schafft eine chemische Umgebung, die für viele Metallkomponenten schädlich ist. Metalle können sich auflösen, zugleich können sich Oxidschichten bilden, die den Stromfluss behindern“, erklärt Helmut Riedl-Tragenreif vom Institut für Materialwissenschaft und Technologie der Technischen Universität Wien.

Platinbedarf von Wasserstoffanlagen

„Wenn das System langfristig betrieben werden soll, müssen die einzelnen Komponenten sorgfältig aufeinander abgestimmt sein. Die Bipolarplatten spielen dabei eine besonders wichtige Rolle und machen bis zu 30 % der Gesamtkosten des Systems aus.“ Diese Platten stützen die Anlage nicht nur mechanisch, sondern leiten auch Strom und helfen, Wasser und Gase zu transportieren. Titan ist gut korrosionsbeständig, doch auf seiner Oberfläche bildet sich eine Oxidschicht, die den Stromfluss behindert. Eine dünne Platinbeschichtung kann dieses Problem lösen, indem sie das Titan schützt und zugleich den Strom wirksam leitet. Dünne Beschichtungen bestehen im Test. Das Team der Technischen Universität Wien untersuchte systematisch, wie dick diese Schutzschicht sein muss.

Testergebnisse dünner Platinbeschichtungen

Tests zufolge reichte eine 24 Nanometer dicke Beschichtung unter den untersuchten Bedingungen aus, während eine 8 Nanometer dicke Beschichtung deutliche Probleme zeigte. Im Vergleich zu den derzeit in der Industrie verwendeten 200-Nanometer-Beschichtungen steht eine erfolgreiche dünne Beschichtung für das Potenzial, den Platinverbrauch um etwa 88 % zu senken. Die Forscher untersuchten zudem, wie widerstandsfähig diese Beschichtungen nach elektrochemischer Belastung waren, statt nur ihre anfängliche Leistung zu bewerten. „Wir haben die Beschichtungen mit hochauflösenden Methoden vor und nach elektrochemischer Belastung analysiert. Von besonderer Bedeutung war die Frage, ob in der Beschichtung mikroskopische Defekte auftreten.“

sagt Riedl-Tragenreif. Kleine Defekte können die Schädigung beschleunigen. Defekte in der Platinschicht können das darunterliegende Titan dem Angriff aussetzen. Titan oxidiert, und an der Grenzfläche können kleine Sauerstoffbläschen entstehen, die mechanische Spannungen erzeugen und die Beschichtung weiter schädigen. Wenn größere Bereiche abplatzen, wird mehr Titan freigelegt, und die Schädigung beschleunigt sich. Die 8 Nanometer dicke Beschichtung zeigte deutliche Anzeichen dieses Prozesses. Nach elektrochemischer Belastung beobachteten die Forscher größere Defekte und stellten fest, dass die Menge an Titan- und Platinionen, die in den Elektrolyten gelangen, deutlich zunahm. Die 24 Nanometer dicke Beschichtung hingegen blieb unter den untersuchten Bedingungen größtenteils intakt, behielt eine gute Leitfähigkeit und hielt die Freisetzung von Metallionen auf einem sehr niedrigen Niveau.

Auswirkungen dünner Platinbeschichtungen auf die Wasserstoffproduktion

Bei der Wasserstoffproduktion hat die eingesetzte Platinmenge erheblichen Einfluss auf die Kosten. Die Studie zeigt, dass dünne Platinbeschichtungen den Bedarf an Edelmetallen wirksam senken können, was nicht nur die Produktionskosten verringert, sondern auch die Haltbarkeit der Anlagen erhöht. Das Design der Bipolarplatten und die Materialauswahl sind entscheidend für die Leistung des Gesamtsystems, insbesondere angesichts der Herausforderung durch chemische Korrosion. Die Ergebnisse dieser Studie könnten die Kommerzialisierung von Wasserstofftechnologien fördern und nachhaltigere Energielösungen vorantreiben.