Untersuchung und Betrieb poröser Transportschichten für Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure bei hohen Stromdichten

Kurzfassung

Innerhalb der letzten Jahre sind die CO2-Emissionen weltweit angestiegen. Unter anderem kann dies durch das Nutzen von erneuerbaren Energiequellen gekoppelt an Elektrolyseuren reduziert werden. Hintergrund ist ein möglicher Lösungsansatz in Form der Power-to-x-Technologie, dass die elektrische Energie in chemische Energie in Form von H2 umwandelt. Aussichtsreich ist dabei die Wasserelektrolyse mittels Protonenaustauschermembran-Elektrolyseurs. Hierbei wird standardgemäß während der Wasserelektrolyse eine Stromdichte von 2 Acm-2 bei 65 °C angewendet. Doch um die Investmentkosten zu reduzieren und die Wirtschaftlichkeit des Protonenaustauschermembran-Elektrolyseurs zu steigern wird ein neuer Standard von 4 Acm-2 gefordert. Problematisch dabei sind jedoch die auftretenden hohen Überspannungen und die Effizienz der Zelle reduzieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Performanz neu entwickelter poröser Transportschichten aus Titan bei 4 Acm-2 und 6 Acm-2 bei 90 °C untersucht. Die porösen Transportschichten bestanden jeweils aus einer Gitterstruktur und einer mikroporösen Schicht. Während die eine poröse Transportschicht aus Titan und Niob (Ti-Ti/Nb) mittels Vakuumplasmasprühen aufgetragen wurde, wurde die andere mittels klassische Pulvermetallurgie aus Titanpulver (Ti-GKN) gewonnen. Aus der physikalischen Charakterisierung mittels Rasterelektronenmikroskop und Quecksilberporosimetrie ging hervor, dass Ti-GKN einen vierfach höheren modalen Porendurchmesser und eine doppelt so hohe Porosität aufwies als Ti-Ti/Nb. Dadurch performte Ti-GKN, während den Aufnahmen von Polarisationskurven bis 6 Acm-2 um 15 % höher als Ti-Ti/Nb. Die elektrochemischen Impedanzspektroskopien zeigten, dass die Überspannungen bei hohen Stromdichten von Ti-Ti/Nb ausgehend von Massentransportlimitierungen waren. Weiterhin zeigte Ti-GKN im Langzeittest bei 4 Acm-2 und 90 °C, bis auf eine Passivierung um das 1,5-fache, eine gute Stabilität. Jedoch hielt die Membran-Elektroden-Einheit den Konditionen nicht stand, sodass sich das Elektrodenmaterial auf der porösen Transportschicht verfestigt hatte. Der anschließende Recovery-Test zeigte, dass 46 % der Spannungsdifferenz zwischen dem Beginn des Langzeittests und nach dem Test durch die Membran-Elektroden-Einheit verursacht wurde. Die Struktur der Ti-GKN ermöglichte, durch einen guten Elektronen- und Massentransport, eine vielversprechende Performanz bis 6 Acm-2. Diese poröse Transportschicht besitzt das Potential die geforderte Leistungserhöhung, zur Steigerung der wirtschaftlichen Attraktivität der Protonenaustauschermembran-Elektrolyseure, zu erreichen.