Titanfaserfilz für PEM-Elektrolyse: PTL-Spezifikationen und Auswahlleitfaden

Die PEM-Wasserelektrolyse gehört zu den anspruchsvollsten Einsatzumgebungen für poröse Medien. Die Membran-Elektroden-Einheit arbeitet auf der Anodenseite in einem sauren, oxidierenden Umfeld bei Potenzialen über 1.6 V, also unter Bedingungen, bei denen kohlenstoffbasierte Materialien schnell abbauen können. Titanfaserfilz hat sich deshalb als Standardwerkstoff für poröse Transportlagen, kurz PTLs, auf der Anodenseite von PEM-Elektrolyseuren etabliert.

Dieser Beitrag behandelt die Werkstoffeigenschaften, die für PTL- und GDL-Auswahl relevant sind, die verfügbaren Spezifikationen und die Abwägungen bei der Auswahl von Titanfaserfilz für Elektrolyseuranwendungen.

Was Titanfaserfilz eigentlich ist

Titanfaserfilz ist eine gesinterte Vliesstruktur aus Titanfasern, typischerweise aus kommerziell reinem Titan Grade 1 oder Grade 2. Einzelne Fasern mit Durchmessern von meist 20-80 µm werden zu einem zufälligen dreidimensionalen Netzwerk gelegt und anschließend bei 1000-1200°C im Vakuum gesintert. Dabei verbinden sich die Fasern an ihren Kontaktpunkten und es entsteht ein selbsttragendes poröses Blatt mit offener, verbundener Porosität.

Das Ergebnis unterscheidet sich deutlich von Drahtgewebe oder geätzter Folie: Faserfilz besitzt keine geraden Durchflusskanäle, sondern ein gewundenes dreidimensionales Porennetzwerk. Gerade das ist für Elektrolyseure relevant, weil es eine gleichmäßigere Gas- und Flüssigkeitsverteilung über die Katalysatorschicht unterstützt.

Wichtige Spezifikationen

Werkstoff: CP Titan Grade 1 / Grade 2 (ASTM B265 Basis)

Faserdurchmesser: 20–80 µm (häufig 20 µm oder 50 µm)

Porosität: 50–80%

Dicke: 0.2–2.0 mm (typischer PTL-Bereich: 0.25–1.0 mm)

Mittlere Porengröße: 5–80 µm (über Faserdurchmesser und Verdichtung einstellbar)

Maximale Porengröße (Bubble Point): 10–120 µm je nach Sorte

Plattengröße: Standard bis 300 × 500 mm, Zuschnitte auf Anfrage

Elektrischer Widerstand: Flächenspezifischer Durchgangswiderstand <10 mΩ·cm² bei 1 MPa Kompression

Rolle im PEM-Elektrolyseur

Im PEM-Wasserelektrolyseur sitzt die PTL zwischen Strömungsfeldplatte und anodischer Katalysatorschicht. Sie muss mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen:

• Wasser verteilen — Das Speisewasser muss gleichmäßig über die gesamte Katalysatorfläche gelangen. Das Porennetzwerk des Faserfilzes unterstützt diese Verteilung kapillar, ohne hohe Differenzdrücke zu erfordern.
• Sauerstoff abführen — An der Anode entstehende Sauerstoffblasen müssen durch die PTL in die Strömungskanäle entweichen. Wenn sich Gas ansammelt, werden aktive Katalysatorstellen blockiert und lokale Stromdichten steigen. Der Faserfilz bietet viele alternative Fluchtwege.
• Elektronen leiten — Die PTL leitet Strom von der Katalysatorschicht zur Bipolarplatte. Die gesinterten Faser-Faser-Kontakte bilden metallische Leitpfade. Ein niedriger Kontaktwiderstand ist kritisch, weil jeder zusätzliche Milliohm bei 1-3 A/cm² unnötige Wärme erzeugt.
• Mechanisch stützen — Die Membran, meist Nafion mit 50-180 µm Dicke, ist weich und kriechanfällig unter Druck. Die PTL muss sie stützen, ohne sie zu beschädigen. Die feinere Oberfläche von Faserfilz ist dabei oft membranfreundlicher als grobes Gewebe oder Lochblech.

Warum nicht Carbon Paper?

Auf der Kathodenseite einer PEM-Brennstoffzelle funktionieren Carbon Paper oder Carbon Cloth gut als GDL, weil die reduzierende Umgebung bei etwa 0 V vs. RHE für Kohlenstoff vergleichsweise schonend ist. Die Anode eines PEM-Elektrolyseurs arbeitet dagegen bei 1.6-2.0 V vs. RHE in stark saurer Nafion-Umgebung. Unter diesen Bedingungen kann Kohlenstoff oxidieren und schnell seine Struktur verlieren, weshalb er auf der Anodenseite in der Regel vermieden wird.

Titan bildet hingegen eine stabile TiO₂-Passivschicht, die diesen Potenzialen in sauren Medien standhält. Die Korrosionsrate von CP-Titan unter PEM-Anodenbedingungen ist über viele tausend Betriebsstunden typischerweise sehr gering.

Porosität und Porengröße: Was sollte spezifiziert werden?

Porosität

Eine höhere Porosität von 70-80% verbessert Wasser- und Gastransport, verringert aber mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Eine niedrigere Porosität von 50-60% verbessert Kontaktwiderstand und Struktursteifigkeit, kann jedoch bei hohen Stromdichten den Stofftransport begrenzen. Für viele PEM-Stacks im Bereich von 1-2 A/cm² ist eine Porosität von 60-75% ein sinnvoller Startbereich.

Porengröße

Kleinere Poren von 5-20 µm verbessern den Kapillardruck für das Wassermanagement und ergeben eine glattere Oberfläche zur Membrankontaktierung. Zu feine Poren können jedoch Sauerstoffblasen festhalten und den Stofftransport verschlechtern. Größere Poren von 40-80 µm erleichtern den Gasaustritt, können aber zu ungleichmäßiger Druckverteilung auf der Katalysatorschicht führen. Die Porengröße wird über Faserdurchmesser und Verdichtungsgrad gesteuert.

Dicke

Dünnere PTLs von 0.2-0.5 mm reduzieren den Durchgangswiderstand und die Stackdicke, sind aber schwieriger zu handhaben und verteilen bei großen Kanalabständen den Fluss nicht immer ausreichend. Dickere PTLs von 0.5-1.0 mm verbessern die laterale Verteilung, erhöhen jedoch Widerstand und Gewicht. Viele kommerzielle Stacks verwenden 0.25-0.5 mm bei kleinen Zellen und 0.5-1.0 mm bei größeren aktiven Flächen.

Oberflächenbeschichtungen für Forschung und Leistung

Unbeschichteter Titanfaserfilz funktioniert bereits gut als PTL, jedoch erhöht die natürliche TiO₂-Schicht den Kontaktwiderstand. Für Forschung und Hochleistungsstacks können Beschichtungen vorteilhaft sein:

• Platin (Pt) — reduziert den Kontaktwiderstand zwischen PTL und Katalysatorschicht. Typische Beladung: 0.05-0.5 mg/cm². Aufgebracht durch Sputtern, Galvanik oder ALD.
• Iridium (Ir) oder Iridiumoxid (IrO₂) — kann sowohl den Kontaktwiderstand reduzieren als auch als zusätzliche Katalysatorschicht wirken.
• Ruthenium (Ru) — wird in einigen Screening-Studien verwendet. Günstiger als Ir, jedoch bei hohen Anodenpotenzialen weniger stabil.

FILTURE liefert Faserfilzsubstrate, die für solche Beschichtungen geeignet sind. Oberflächenvorbereitung wie Reinigung oder Ätzen kann passend zum Beschichtungsprozess spezifiziert werden.

Hinweise zur Bestellung

Bei der Spezifikation von Titanfaserfilz für PEM-Elektrolyse sind Zielporosität mit ±5%, Dicke mit ±0.05 mm, Faserdurchmesser und maximale Porengröße besonders wichtig. In der Forschungsphase reichen häufig kleine Zuschnitte von 50 × 50 mm oder 100 × 100 mm. Für Stack-Prototyping und spätere Produktion werden größere Tafeln mit enger Toleranzführung wichtig.

Detaillierte Spezifikationen und Preise für Titanfaserfilz in der PEM-Elektrolyse finden Sie auf der Produktseite oder direkt über unser Engineering-Team unter Angabe Ihrer Zelldesignparameter.