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Die Herstellung von «grünem» Wasserstoff mittels Elektrolyse hat starke Konkurrenz: Über 90 Prozent des Wasserstoffs werden heute überwiegend aus Erdgas gewonnen, weil nachhaltiger Wasserstoff aus der Elektrolyse rund doppelt so teuer in der Herstellung ist. Deswegen wird laut Empa in einem Projekt von Forscherinnen und Forschern der Empa und von Forschungsinstituten aus Brest (FR) und Nancy (FR) an günstigeren Alternativen für zwei Schlüssel-Materialien in Elektrolyse-Geräten gearbeitet: Titan und Platin.
Die Umgebung, die im Elektrolyseur herrscht, ist korrosiv. Selbst Komponenten, die nicht mit dem hochsauren Milieu in Kontakt kommen, korrodieren. Und schon geringste Mengen an gelöstem Metall im hochreinen Wasser, das zur Elektrolyse in das Gerät strömt, können zu Einbussen in seiner Leistung und seiner Lebensdauer führen. Die Komponenten für die Zu- und Ableitung des Wassers und der entstehenden Gase innerhalb des Elektrolyseurs bestehen deshalb aus Titan. Damit das Titan nicht oxidiert und die Wirksamkeit des Elektrolyseurs beeinträchtigt wird, müssen die Bauteile noch mit dem Edelmetall Platin beschichtet werden, was die Kosten weiter in die Höhe treibt.
Das Projekt sucht deshalb nach Wegen, das teure Platin zu ersetzen, ohne die Korrosionsbeständigkeit zu beeinträchtigen. Dafür wird auf eine besondere Form des Titanoxids, das hochkristalline sauerstoffarme Rutil, gesetzt. Der Grund: Bei Rutil fehlen an bestimmten Stellen Sauerstoffatome, was dem Material eine gute Leitfähigkeit verleiht, während seine Hochkristallinität für eine hohe Korrosionsbeständigkeit sorgt. Ausserdem soll das Trägermaterial Titan durch Stahl ersetzt werden. «Stahl ist nicht nur günstiger, sondern auch viel einfacher zu verarbeiten. Das ermöglicht neue, fortschrittliche Komponentendesigns, die die Effizienz der Zelle steigern», erklärt Konstantin Egorov von der Empa.
Laut der Empa bestätigen die ersten Ergebnisse die hohe Korrosionsbeständigkeit der neuen Beschichtung. «Wir konnten eine Methode entwickeln, um die erste Komponente des PEMWE-Elektrolyseurs, die sogenannte bipolare Platte, erfolgreich mit Titanoxid zu beschichten», sagt Egorov. Die dafür verwendete Methode heisst physikalische Gasphasenabscheidung (engl. «physical vapour deposition» oder PVD) und ist in der Industrie weit verbreitet.
Nach den erfolgreichen Tests an der bipolaren Platte soll eine weitere Schlüsselkomponente mit Titanoxid beschichtet werden: die poröse Transportschicht. Laut Egorov birgt die Beschichtung von porösem Material viele Herausforderungen, denn die Poren müssen gleichmässig beschichtet werden, damit das darunterliegende Material weder korrodiert noch verstopft.
Das Projekt läuft noch bis 2026. Danach hoffen die Empa-Forschenden, einen Industriepartner an Bord zu holen, um die innovative Technologie in Richtung Kommerzialisierung weiterzuentwickeln.
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