Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse ist eine Schlüsseltechnologie für die zukünftige Energieversorgung. Dabei ist die Verwendung von Platin, das für seine Korrosionsbeständigkeit bekannt ist, nach wie vor weit verbreitet. Eine neue Studie der Technischen Universität Wien zeigt jedoch, dass der Platinverbrauch erheblich gesenkt werden kann, was sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile mit sich bringt.
Wasserstoff wird zunehmend als nachhaltiger Energieträger betrachtet, insbesondere in industriellen Anwendungen. Um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, ist eine umweltfreundliche Technologie erforderlich, die auf der Wasserelektrolyse basiert. Ein zentrales Problem sind die hohen Kosten, die mit der PEM-Wasserelektrolyse verbunden sind, da für die Herstellung korrosionsbeständiger Komponenten in vielen Fällen Platin eingesetzt wird.
In jüngsten Experimenten an der TU Wien wurde der elektrochemische Prozess, der in diesen Platinschichten abläuft, eingehend untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass durch die gezielte Anpassung der Platinbeschichtung der Materialbedarf signifikant reduziert werden kann. Dies könnte die Kosten für die Elektrolyse erheblich senken und somit die Technologie zugänglicher machen.
Die grundlegende Funktionsweise der Wasserelektrolyse ist relativ simpel: Durch elektrischen Strom werden Wassermoleküle in ihre Bestandteile zerlegt. An der Elektrode entstehen Sauerstoffmoleküle sowie positiv geladene Wasserstoffionen und Elektronen. Die Protonen wandern durch eine Membran zur Gegenelektrode, wo sie mit Elektronen reagieren und Wasserstoffmoleküle bilden. In der Praxis ist die technische Umsetzung jedoch komplex. Helmut Riedl-Tragenreif vom Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien erklärt, dass die chemische Umgebung während der Elektrolyse viele metallische Komponenten angreift. Dies führt dazu, dass sich Metalle auflösen oder Oxidschichten bilden, die den elektrischen Stromfluss beeinträchtigen können.
Ein entscheidender Bestandteil der Elektrolyseanlagen sind die Bipolarplatten, die eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, darunter die mechanische Stabilität, die Leitung von elektrischem Strom und den Transport von Wasser und Gasen. Titan ist ein bevorzugtes Material für diese Platten, weil es auch unter aggressiven Bedingungen korrosionsbeständig ist. Dennoch bildet sich an der Titanoberfläche eine Oxidschicht, die den Stromfluss hemmen kann. Daher werden Bipolarplatten häufig mit einer dünnen Platinschicht überzogen, die sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch den Korrosionsschutz sicherstellt.
Eine bisher offene Frage war, wie dick diese Platinschicht tatsächlich sein muss, um den gewünschten Schutz zu bieten. In den experimentellen Studien der TU Wien wurde festgestellt, dass eine Platinschicht mit einer Dicke von nur 24 Nanometern unter den getesteten Bedingungen ausreichend ist. Im Vergleich dazu werden in der Industrie oft Beschichtungen von 200 Nanometern oder mehr verwendet. Dies würde bedeuten, dass bis zu 88 Prozent des Platins eingespart werden könnten, was sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile mit sich bringt.
Die Forscher haben auch die Widerstandsfähigkeit der Schichten unter den aggressiven Bedingungen der Elektrolyse untersucht. Es genügt nicht, lediglich eine geeignete Beschichtung herzustellen; es muss auch sichergestellt werden, dass diese unter Betriebsbedingungen Bestand hat. Bei den Tests zeigte sich, dass bei der 8 Nanometer dicken Schicht erhebliche Schäden auftraten, während die 24 Nanometer dicke Schicht weitgehend intakt blieb und ihre elektrische Leitfähigkeit behielt. Diese Erkenntnisse sind entscheidend, da selbst kleine Defekte in der Platinschicht zu einer Kettenreaktion führen können, die letztendlich die gesamte Elektrolyseanlage beeinträchtigt.
Die Ergebnisse der Studie verdeutlichen, dass es ein signifikantes Potenzial gibt, den Platinverbrauch in Elektrolyseanlagen zu reduzieren. Die gegenwärtig verwendeten Schichtdicken sind aus materialwissenschaftlicher Sicht nicht unbedingt notwendig. Diese neuen Erkenntnisse könnten die Entwicklung kostengünstigerer und nachhaltigerer Wasserstoffproduktionsmethoden vorantreiben und somit einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten.
