Hydrogen er klar til å bli en viktig energibærer i fremtiden, spesielt for industrielle applikasjoner. Dette krever klimavennlige teknologier som splitter vann til hydrogen og oksygen. En stor utfordring er kostnader: PEM-vannelektrolyse krever svært korrosjonsbestandige komponenter, hvorav noen er belagt med platina. Eksperimenter utført ved TU Wien har nå undersøkt de elektrokjemiske prosessene på slike platinalag mer detaljert. Resultatene viser at hvis de implementeres riktig, trengs det betydelig mindre platina enn det som er standard praksis i dag. Dette kan gjøre elektrolyse betydelig mer kostnadseffektiv.
Det grunnleggende prinsippet for vannelektrolyse er enkelt: Vannmolekyler splittes ved hjelp av elektrisk strøm. Oksygenmolekyler, positivt ladede hydrogenioner og elektroner produseres ved elektroden. Protonene migrerer gjennom en membran til den andre elektroden, hvor de kombineres med elektroner for å danne hydrogenmolekyler. Den tekniske implementeringen er imidlertid kompleks. «Elektrolyse skaper et kjemisk miljø som er skadelig for mange metalliske komponenter. Metall kan oppløses, og oksidlag kan dannes, noe som hindrer strømflyten», forklarer Helmut Riedl-Tragenreif fra Institutt for materialvitenskap og teknologi ved TU Wien. «Hvis systemet skal forbli funksjonelt i lang tid, må de ulike komponentene koordineres nøye. De såkalte bipolare platene spiller en spesielt viktig rolle i dette, og står for opptil 30 prosent av systemkostnadene.»
Disse platene utfører flere funksjoner samtidig: de gir mekanisk stabilitet, leder strøm og muliggjør transport av vann og gasser. Titan er et passende materiale for dette formålet, da det er svært korrosjonsbestandig selv under aggressive forhold. Imidlertid dannes det et oksidlag på titanoverflaten, noe som hindrer strømstrømmen. Derfor er slike bipolare plater belagt med et tynt lag med platina. Dette laget leder strøm, er korrosjonsbestandig og beskytter det underliggende titanet. Spørsmålet om hvor tykt dette platinalaget må være har frem til nå vært åpent. Dette har nå blitt systematisk undersøkt ved TU Wien. Resultatet er overraskende: et platinalag på bare 24 nanometer tykt viste seg å være tilstrekkelig under de testede forholdene. Med en lagtykkelse på åtte nanometer oppsto det imidlertid betydelige problemer. Dette betyr at sammenlignet med et 200 nanometer tykt belegg, slik det brukes industrielt i dag, kunne omtrent 88 prosent av platinaen som kreves for dette beskyttende laget spares. «I dag brukes ofte platinalag på flere hundre nanometer tykke. Resultatene våre viser hvor stort potensialet for besparelser er her», sier Helmut Riedl-Tragenreif.
For å demonstrere dette er det ikke nok å bare produsere et funksjonelt belegg. Det er også nødvendig å undersøke motstanden under aggressive driftsforhold. «Vi analyserte lagene før og etter elektrokjemisk stress ved hjelp av høyoppløselige metoder», sier Riedl-Tragenreif. «Den viktigste faktoren er om det oppstår mikroskopiske defekter i laget.» Slike defekter kan føre til en ond sirkel: Hvis det beskyttende platinalaget er skadet på ett område, kan det underliggende titanet angripes. Det oksiderer, og små oksygenbobler kan dannes ved grensesnittet. Dette kan forårsake mekaniske stressfaktorer og ytterligere skade platinalaget. Større deler av belegget kan løsne, noe som eksponerer enda mer titan – og prosessen akselererer. I det åtte nanometertynne platinalaget fant forskerne klare bevis på slik skade: Etter stresstesting viste det større defekter, og betydelig mer titan- og platinaioner kom inn i elektrolytten. Det 24 nanometertykke laget forble derimot stort sett intakt under de testede forholdene og beholdt sin gode elektriske ledningsevne. Frigjøringen av metallioner ble holdt på et svært lavt nivå. «Hvilken lagtykkelse som virkelig er optimal, avhenger av mange faktorer, som produksjonsteknikk og ensartetheten til belegget. Det vi imidlertid har kunnet demonstrere her, er at det er et stort potensial for å redusere platinaforbruket i elektrolysører. Fra et materialvitenskapelig perspektiv er lagtykkelsene som brukes i dag ikke absolutt nødvendige», sier Riedl-Tragenreif.
Originalpublikasjon:
A. Glitschthaler et al., Mot PEMWE-komponenter med lavt Pt-innhold: Bestemmelse av minimumstykkelsen på Pt-beskyttelsesbelegg på titan-BPP, ACS Applied Materials & Interfaces, 18,33 (2026).
https://pubs.acs.org/aamick/article/18/33/45195/5253263/Toward-Low-Pt-PEMWE-Comp
