Gesinterte Titankomponenten für PEM-Elektrolyse: PTL, Platten und Mesh

Die PEM-Wasserelektrolyse spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei eine Protonenaustauschmembran, typischerweise Nafion, als Elektrolyt dient. Sie zählt zu den führenden Technologien für grünen Wasserstoff aus erneuerbarem Strom, und die installierte Kapazität wächst schnell. Jedes Megawatt PEM-Elektrolyseurleistung benötigt mehrere Titankomponenten im Zellstapel, viele davon porös. Dieser Beitrag erklärt, welche Komponenten das sind, warum Titan auf der Anodenseite meist erforderlich ist und welche Spezifikationen besonders wichtig sind.

Warum Titan und nicht Edelstahl?

Eine PEM-Elektrolysezelle besitzt zwei Seiten, getrennt durch die Protonenaustauschmembran. Die Kathodenseite, also die Wasserstoffentwicklung, arbeitet in einer relativ milden Umgebung mit angefeuchtetem Gas und moderaten Potenzialen. Hier funktionieren Edelstahl oder kohlenstoffbasierte Werkstoffe oft ausreichend gut.

Die Anodenseite, also die Sauerstoffentwicklung, ist deutlich anspruchsvoller. Die Nafion-Membran schafft ein stark saures Milieu mit einem äquivalenten pH-Wert unter 1. Kombiniert mit Anodenpotenzialen über +1.8 V vs. RHE und gelöstem Sauerstoff entstehen Bedingungen, unter denen die meisten Metalle stark korrodieren. Edelstahl, selbst 316L, löst sich hier auf. Eisen-, Nickel- und Chromionen wandern in die Membran und schädigen die Katalysatorschicht.

Titan übersteht diese Bedingungen, weil es eine stabile, selbstheilende TiO2-Passivschicht bildet, die sowohl die Säure als auch das oxidierende Potenzial deutlich besser aushält als die meisten Strukturmetalle. Deshalb werden auf der PEM-Anodenseite meist Grade 1 oder Grade 2 Titan für lange Standzeiten eingesetzt, auch wenn die tatsächliche Korrosionsrate weiterhin von Potenzial, Beschichtung, Wasserchemie und Fahrweise abhängt. Komponenten, die mit der Anodenseite in Kontakt kommen, also PTL, Strömungsfeldplatte und in manchen Designs auch Stromsammler-Mesh, bestehen daher üblicherweise aus Titan.

Titankomponenten im PEM-Stack

Poröse Transportlagen (PTL)

Die poröse Transportlage liegt direkt auf der anodischen Katalysatorschicht. Sie erfüllt drei Aufgaben: Sie leitet Elektronen vom Katalysator zur Bipolarplatte, verteilt Wasser gleichmäßig über die aktive Fläche und ermöglicht das Austreten von Sauerstoffblasen, ohne die Katalysatoroberfläche zu blockieren. Die PTL ist damit die wichtigste poröse Komponente im Stack.

PTLs werden je nach Design aus gesintertem Titanpulver oder Titanfaserfilz hergestellt. Sinterpulver-PTLs bieten eine präzisere Porengrößenkontrolle und höhere mechanische Steifigkeit. Titanfaserfilz-PTLs liefern höhere Porosität und bessere Gaspermeabilität. Beide Varianten werden kommerziell eingesetzt.

Typische PTL-Spezifikationen:

• Porosität: 30-50% bei Sinterpulver oder 50-80% bei Faserfilz
• Mittlere Porengröße: 10-50 µm
• Dicke: 0.5-2.0 mm
• Werkstoff: Grade 1 kommerziell reines Titan
• Oberflächenbehandlung: häufig Platin- oder Iridiumbeschichtung zur Reduzierung des Kontaktwiderstands

Porengröße und Porosität beeinflussen die Leistung direkt. Zu kleine Poren halten Sauerstoffblasen an der Katalysatoroberfläche zurück und erhöhen Transportverluste. Zu große Poren verringern die Kontaktpunkte zur Katalysatorschicht und erhöhen den elektrischen Widerstand. Viele Stackentwickler sehen 15-30 µm mittlere Porengröße als praktikablen Zielbereich.

FILTURE fertigt Titanfaserfilz und gesinterte poröse Titanplatten, die als PTL-Substrate in Entwicklung und Produktion von PEM-Elektrolyseuren eingesetzt werden.

Bipolarplatten

Bipolarplatten trennen benachbarte Zellen im Stack und leiten Strom zwischen ihnen. Auf der Anodenseite müssen sie Wasser verteilen und Sauerstoff über bearbeitete Strömungskanäle abführen. Die Platte muss elektrisch leitfähig, korrosionsbeständig, gasdicht und mechanisch stabil genug für Stapelpressungen von typischerweise 1-3 MPa sein.

Anodische Bipolarplatten werden aus massiven Titanplatten, Grade 2 oder Grade 5 je nach Festigkeitsanforderung, gefertigt. Die Kanalgeometrien, etwa parallel, serpentin oder interdigitiert, werden CNC-gefräst. Die Ebenheitstoleranzen sind eng, oft im Bereich von 0.05 mm über die aktive Fläche, da Spalte zwischen Platte und PTL den Kontaktwiderstand stark erhöhen.

Einige Hersteller beschichten die Oberfläche mit Platin oder Gold in Dicken von etwa 0.05-0.5 µm, um den durch die natürliche TiO2-Schicht verursachten Kontaktwiderstand zu senken. Ohne diese Beschichtung kann der halbleitende Oxidfilm besonders bei Stromdichten über 2 A/cm² messbare ohmsche Verluste verursachen.

Mesh-Stromsammler

Gewebtes Titan-Mesh dient in manchen Stacks als zusätzliche Stromsammel- und Verteilungslage zwischen PTL und Bipolarplatte. Das Mesh bietet eine nachgiebige Kontaktschicht, die kleine Dickenunterschiede der PTL ausgleichen kann.

Übliche Spezifikationen für Elektrolyseur-Mesh:

• Maschenzahl: 40-100 mesh (150-400 µm Öffnung)
• Drahtdurchmesser: 0.1-0.3 mm
• Werkstoff: Grade 1 Titan
• Beschichtung: meist Platin mit 0.05-0.2 µm zur Minimierung des Kontaktwiderstands

FILTURE liefert Titan-Drahtgewebe in den für Elektrolyseuranwendungen typischen Maschenzahlen und Drahtdurchmessern.

Wie die Nachfrage nach grünem Wasserstoff die Anforderungen verändert

Der Übergang von kleinen Labor-Elektrolyseuren mit wenigen Quadratzentimetern aktiver Fläche zu Multi-Megawatt-Stacks mit Hunderten Zellen und aktiven Flächen über 1000 cm² verändert die Anforderungen an Komponentenlieferanten. Größere aktive Flächen bedeuten größere PTL-Zuschnitte, etwa 500 mm x 500 mm oder mehr, mit konsistenter Porosität und Dicke über das gesamte Teil. Gleichzeitig verschiebt sich die Fertigung von handmontierten Prototypen zu teilautomatisierten Linien, was engere Maßtoleranzen für alle Komponenten verlangt.

Auch die Volumina steigen stark. Ein einzelner PEM-Stack mit 1 MW kann etwa 200-400 Zellen enthalten. Jede Zelle benötigt eine PTL, eine Bipolarplatte, einen Mesh-Stromsammler und zugehörige Dichtungen und Endplatten. Multipliziert mit weltweit angekündigten Gigawatt-Projekten wächst der Bedarf an porösen Titanbauteilen von Kilogramm pro Jahr auf Tonnen pro Jahr selbst für einen einzelnen OEM.

Checkliste für Elektrolyseurkomponenten

Wenn Sie poröse Titankomponenten für Entwicklung oder Serienproduktion von PEM-Elektrolyseuren beschaffen, sollten Sie Folgendes spezifizieren:

• Werkstoffgüte (Grade 1 CP Ti bevorzugt, Grade 2 akzeptabel)
• Porosität und Porengrößenverteilung inklusive Messmethode, etwa Quecksilberporosimetrie oder Kapillarfluss-Porometrie
• Dickentoleranzen, typischerweise ±0.05 mm für PTL und ±0.02 mm für Bipolarplatten
• Oberflächenrauheit, insbesondere in Bezug auf Kontaktwiderstand
• Abmessungen sowie Ebenheitstoleranz von Blech oder Platte
• Anforderungen an Edelmetallbeschichtungen wie Metallart, Schichtdicke und Beschichtungsfläche
• Sauberkeitsanforderungen, etwa partikelfrei und ohne organische Kontamination

FILTURE fertigt Titanfaserfilz, gesinterte poröse Platten, Drahtgewebe und bearbeitete Titankomponenten für PEM-Elektrolyseur-OEMs und Forschungseinrichtungen. Wenn Sie einen Stack entwickeln oder skalieren und titanhaltige poröse Komponenten nach Spezifikation benötigen, kontaktieren Sie uns mit Ihren Anforderungen.