Wasserstoff soll zu einem Energieträger der Zukunft werden, gerade für Industrieanwendungen. Dafür braucht man klimafreundliche Technologien, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. Ein großes Problem dabei sind die Kosten: Bei der PEM-Wasserelektrolyse benötigt man besonders korrosionsbeständige 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. Das könnte die Elektrolyse spürbar kostengünstiger machen.
Das Grundprinzip der Wasserelektrolyse ist einfach: Mithilfe von elektrischem Strom werden Wassermoleküle aufgespalten. An der Elektrode entstehen Sauerstoffmoleküle, positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen. Die Protonen wandern durch eine Membran zur zweiten Elektrode, wo sie zusammen mit Elektronen Wasserstoffmoleküle bilden. Die technische Umsetzung ist aber 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“, erklärt Helmut Riedl-Tragenreif vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Wenn die Anlage lange funktionsfähig bleiben soll, muss man die unterschiedlichen Bauteile sorgfältig aufeinander abstimmen. Eine besonders wichtige Rolle spielen dabei die sogenannten Bipolarplatten, die für bis zu 30 Prozent der Systemkosten verantwortlich sind.“
Diese Platten übernehmen mehrere Aufgaben gleichzeitig: Sie 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 solche Bipolarplatten mit einer dünnen Platinschicht überzogen. Sie leitet Strom, ist korrosionsbeständig und schützt das darunterliegende Titan. Offen war bisher aber die Frage, wie dick diese Platinschicht sein muss. Das wurde nun an der TU Wien systematisch untersucht. Das Ergebnis ist überraschend: Eine nur 24 Nanometer dünne Platinschicht erwies sich unter den untersuchten Bedingungen als ausreichend. Bei einer Schichtdicke von acht Nanometern hingegen traten deutliche Probleme auf. Das bedeutet: Im Vergleich zu einer 200 Nanometer dicken Beschichtung, wie sie bisher industriell verwendet wird, ließen sich rund 88 Prozent des Platins für diese Schutzschicht einsparen. „Heute verwendet man oft Platinschichten von mehreren hundert Nanometern Dicke. Unsere Ergebnisse zeigen, wie groß das Einsparungspotenzial hier ist“, sagt Helmut Riedl-Tragenreif.
Um das zu zeigen, genügt es nicht, eine zunächst funktionsfähige Beschichtung herzustellen. Man muss auch untersuchen, wie widerstandsfähig sie unter den aggressiven 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 nämlich zu einem Teufelskreis führen: Ist die Platin-Schutzschicht an einer Stelle beschädigt, kann das darunterliegende 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 acht Nanometer dünnen Platinschicht fanden die Forschenden tatsächlich deutliche Hinweise auf eine solche Schädigung: Nach der Belastung wies sie größere Defekte auf, gleichzeitig gelangten deutlich mehr Titan- und Platinionen in den Elektrolyten. Die 24 Nanometer dicke Schicht hingegen blieb unter den untersuchten Bedingungen weitgehend intakt und behielt ihre gute elektrische Leitfähigkeit. Die Freisetzung von Metallionen konnte auf ein sehr niedriges Niveau begrenzt werden. „Welche Schichtdicke nun wirklich optimal ist, hängt von vielen Faktoren ab, etwa von der Herstellungstechnik und der Gleichmäßigkeit der Beschichtung. Was wir hier aber jedenfalls zeigen konnten: Es gibt ein großes Potenzial, den Platinverbrauch in Elektrolyseuren zu reduzieren. Die heute verwendeten Schichtdicken sind materialwissenschaftlich gesehen nicht unbedingt notwendig“, sagt Riedl-Tragenreif.
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, 18,33 (2026).
https://pubs.acs.org/aamick/article/18/33/45195/5253263/Toward-Low-Pt-PEMWE-Comp
