Langzeitstabilität der Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyse bei reduziertem Iridiumgehalt

Um Wasserstoff CO2-frei zu produzieren, ist der Einsatz von Energie aus erneuerbaren Quellen unerlässlich. Da diese wetterbedingt oft stark fluktuierende Leistungsprofile zur Verfügung stellen, muss die zur Wasserstoffsynthese eingesetzte Technologie für einen dynamischen Betrieb ausgelegt sein. Daher ist hierfür insbesondere die Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyse geeignet, die auf zeitlich fluktuierende Leistungsprofile zügig folgen kann. Die aktuell hohe Iridiumbeladung der Anode sowie das ungenügende Verständnis von auftretenden Alterungsmechanismen in Abhängigkeit vom verwendeten Leistungsprofil stellen jedoch große Herausforderungen für die industrielle Wasserstoffproduktion mit der Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyse dar. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit daher mit der Reduktion des Einsatzes an Iridium in der Polymerelektrolyt-Wasserelektrolyse und den sich daraus ergebenden Auswirkungen auf die Zellleistung und deren Langzeitstabilität. Für die Irdidiumreduktion werden zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wird ein Katalysator mit verringertem Iridiumgehalt eingesetzt und zum anderen wird die Beladungsreduktion durch reduzierten Einsatz des Standardkatalysators erreicht. Für diesen zweiten Ansatz werden auch die sich ergebenden Auswirkungen auf die Langzeitstabilität der Zellleistung untersucht und mit Referenzwerten von Standardelektroden verglichen. Für die Analyse der Langzeitstabilität werden zunächst die Einflüsse des vorgegebenen Leistungsprofils und des Zellaufbaus auf die Zellalterung untersucht. Die dabei auftretenden Alterungsmechanismen werden auf Basis elektrochemischer, physikochemischer und materialanalytischer Messungen untersucht. Hierbei werden die Beiträge verschiedener Zellkomponenten zur Zellalterung voneinander separiert und dadurch die für die Alterung kritischen Komponenten identifiziert. Es konnte ein neuartiges Katalysatorsystem (Iridium, geträgert auf Antimon dotiertem Zinnoxid) mit reduziertem Iridiumgehalt und der dreifachen massenspezifischen Aktivität im Vergleich zum Benchmarkmaterial identifiziert werden. Elektroden mit reduzierter Iridiumbeladung zeigten jedoch höhere Alterungsraten im Vergleich zu Standardelektroden. Dabei trugen insbesondere der anodische Stromkollektor und die Anode zur Alterung der Zellleistung bei. Hinsichtlich der verwendeten Leistungsprofile konnte im Standardzellaufbau eine verbesserte Langzeitstabilität bei dynamischem Betrieb verglichen mit konstantem Betrieb gezeigt werden. Darüberhinaus führten beide Betriebsarten bei optimiertem Zellaufbau zu vergleichbar niedrigen Alterungsraten im Langzeitbetrieb, was unter Stabilitätsaspekten die Eignung der Polymerelektrolyt- Wasserelektrolyse für den Betrieb mit den untersuchten fluktuierenden Leistungsprofilen zeigt.