Entwicklung von kostengünstigen und nachhaltigen Elektrodensystemen auf Basis von optimierten Iridium/Titanoxid-Schichten für den Einsatz in der PEM-Wasserelektrolyse (IT-PEM)

01.11.2017 bis 30.04.2020

AiF  - Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ aus Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung

Die kostengünstige Wasserstoffproduktion mittels PEM-Wasserelektrolyse wird eine Schlüsselkompetenz unserer zukünftigen Energiewirtschaft darstellen. Hierzu sind konkurrenzfähige System notwendig, wobei im Vergleich zum Stand der Technik ein großes Kosteneinsparpotential bei der Entwicklung von optimierten Elektrodensystemen insbesondere für Anoden gehoben werden kann.

Konventionelle Elektroden für die Anode von PEM-Elektrolyseuren basieren zumeist darauf, dass eine Katalysator-(z.B. Iridium-)Schicht auf eine protonenleitende Membran (Ionomer) aufgebracht wird. Hierbei werden z.B. Katalysatornanopartikel in Verbindung mit dem Ionomer gemischt als Schicht auf die Membran appliziert (Abbildung 1 links). Hierdurch wird ein signifikanter Teil der Katalysatorpartikel maskiert bzw. elektrochemisch aktive Oberfläche reduziert und es steht weniger Katalysatormaterial für die Nutzreaktion an der Anode zur Verfügung. In aktuellen Forschungsvorhaben konnte gezeigt werden, dass sich der Katalysatoreinsatz deutlich reduzieren lässt, wenn man die eingesetzten Katalysatornanopartikel zunächst auf Trägerpartikel aufbringt und diese dann z.B. als eine entsprechend verarbeitete Elektrodenschicht auf die Membran appliziert (Abbildung 1 Mitte), sodass eine Reduktion des Katalysatoreinsatzes von bis zu 70% möglich erscheint Bei beiden Varianten des Elektrodenaufbaus wird berichtet, dass die Erhöhung des Katalysatoreinsatzes sich nicht linear auf die Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Elektrodenanordnung auswirkt. Unabhängig davon, ob dieser Effekt auf die Abdeckung von Katalysatorpartikeln, Mangelversorgung oder ähnliches zurückzuführen ist, weist dieses darauf hin, dass sich durch weitere Reduktion der Elektrodenschichten Katalysatoreinsparungen ohne entsprechende Leistungseinbußen – d.h. eine höhere Katalysatorausnutzung – erreichen lassen.

Abbildung 1: Übliche Katalysatorschicht aus Iridiumnanopartikeln mit Ionomeranteil (links); experimentelle Katalysatorschicht aus geträgerten Katalysatorpartikeln (Mitte); angestrebter Elektrodenaufbau in IT-PEM (rechts) Aus der Brennstoffzellentechnik ist ein vielversprechender Ansatz bekannt, mit dem sich die aktive Oberfläche des eingesetzten Katalysatormaterials weiter erhöhen lässt. Hierbei werden auf eine nanostrukturierte Kohlenstoffträgerschicht (z.B. Kohlenstoffnanofasern – CNF), die auf ein poröses mikrostrukturiertes Substrat aufgebracht worden ist, nachträglich Katalysatorpartikel deponiert, die sich sodann direkt an der Schnittstelle der Elektrode zur Membran befinden.

Im Vorhaben IT-PEM soll dieser Ansatz adaptiert werden, wobei auf ein Titanstreckgittersystem eine leitende Trägerschicht aus oberflächenmodifizierten Titanoxid-Nanopartikeln (TiO2-X; Kohlenstoffmaterial kann aus Korrosions-/Stabilitätsgründen auf der Anode nicht verwendet werden) aufgebracht und gesintert werden, die einerseits eine ausreichend glatte und aufgrund der Nanostrukturierung eine große Oberfläche für die Deponierung von Katalysatorpartikeln bietet (Abbildung 1 rechts). Der Vorteil der Aufbringung des Katalysators im Anschluss an die Herstellung der Trägerschicht lässt erwarten, dass der Katalysator sich am Ende ausschließlich in einer extrem dünnen Schicht befindet, die unmittelbar im Kontakt mit der protonenleitenden Membran steht. Das im Vorhaben beschriebene Verfahren zum galvanischen Auftrag von Iridium ermöglicht einen direkten Auftrag des Katalysatormaterials auf das leitfähige Trägermaterial. Aufgrund der Stromdichteverteilung während der Abscheidung wird der Katalysator bevorzugt an der Oberfläche (der porösen Trägerschicht) abgeschieden, sodass die abgeschiedenen Katalysatorpartikel als aktive Oberfläche für die Anodenreaktion zur Verfügung stehen. Hierdurch wird erwartet, dass der Katalysatorverbrauch um bis zu 90% reduziert werden kann.  Durch eine gezielte Beeinflussung der Abscheidereaktion soll Iridium im feldorientierten Texturtyp abgeschieden und die nutzbare Oberfläche durch die entstehenden Rauigkeiten zusätzlich vergrößert werden. Entsprechende Studien an PEM-Brennstoffzellenelektroden auf Kohlenstoffbasis bestätigen diesen Ansatz. Eine direkte Adaption der Ergebnisse ist aufgrund der Korrosionsproblematik von Graphitelektroden in Elektrolysezellen allerdings nicht möglich, was die Notwendigkeit des hier beantragten Vorhabens begründet.

Ein Vorteil der galvanischen Abscheidung ist hierbei zudem eine sehr gute Kontaktierung des Katalysators mit dem Basismaterial, wodurch sich, als eine der drei wichtigen Eigenschaften in der Reaktionszone, eine gute elektrische Leitfähigkeit ergibt. Die zweite wichtige Eigenschaft, die Anbindung an die protonenleitende Membran, wird durch einen entsprechenden nachträglichen Auftrag des protonenleitenden Basismaterials gewährleistet. (Zur Erzeugung einer galvanisch präparierten Katalysatorschicht direkt auf der Membran erscheinen derzeitig verfügbare protonenleitende Membranen ungeeignet). Die mikroporöse Stromverteilerschicht aus leitenden TiO2-X-Nanopartikeln (PCD – Porous Current Distributor) gewährleistet die Zufuhr von Wasser und den Gasabtransport.