Im Hinblick auf die Energiewende ist es künftig erforderlich, auf die volatile Leistungsabgabe regenerativer Kraftwerke zu reagieren. Eine Möglichkeit hierfür ist die stoffliche Wandlung und Speicherung überschüssiger elektrischer Energie in Form von Wasserstoff. Die regenerative und emissionsfreie Erzeugung des Wasserstoffs in Power-to-Gas-Anlagen lässt sich mit Wasserelektrolyseuren erreichen. Der PEM-Elektrolyseur bietet hinsichtlich seines dynamischen Betriebsverhaltens und kurzer Startzeit aus dem Standby-Modus deutliche Vorteile gegenüber vergleichbaren Technologien (z. B. alkalische Elektrolyse) hinsichtlich der Kopplung an ein regeneratives Kraftwerk. [1] [2]

Für eine stärkere Marktdurchdringung der PEM - Elektrolyse ist eine Reduzierung der Herstellungskosten notwendig. Eine Möglichkeit hierfür ist die Verwendung von Stahl für die Bipolarplatten. Im Vergleich zu dem bisher verwendeten Titan lässt sich Stahl mechanisch leichter bearbeiten und ist zudem deutlich günstiger. Stahl ist allerdings als Substrat für BPP in PEM - Elektrolyseuren durch den Kontakt mit den sauren Medien und bei Spannungen von bis zu 2 V gegenüber der Wasserstoffseite auf Dauer nicht stabil und muss deshalb durch geeignete Beschichtungen vor Korrosion geschützt werden. Bisher werden Titan- und edelmetallbasierte Schichten über physikalische Gasphasen­abscheidungs­verfahren (engl. PVD = physical vapour deposition) aufgebracht. Der Einsatz galvanischer Verfahren wurde bisher nicht umfänglich analysiert, obwohl die meisten elektrochemischen Beschichtungs­technologien günstig und gut skalierbar sind. Deshalb wurden in dieser Arbeit Gold, Platin sowie eine Legierung aus Zinn und Nickel elektrochemisch auf Stahl abgeschieden und deren Korrosionsstabilität untersucht. [3]

Da der verwendete Stahl chemisch passiv ist, bedarf es mehrerer Vorbehandlungsschritte, bevor die eigentliche Beschichtung aufgebracht werden kann. Zum Einsatz kam eine elektrolytische Entfettung, Dekapierung und eine Vorvernickelung. [4]

Nachdem verschiedene Schichtdicken der ausgewählten Materialien auf den Stahl aufgebracht wurden, wurden diese in einer dafür konzipierten Vorrichtung elektrochemisch untersucht.

Um reale Betriebsbedingungen zu simulieren, wird der Elektrolyt (verdünnte Schwefelsäure, pH-Werte 5, 3 und 1) durch einen temperierbaren Glaskörper konstant auf 60°C gehalten. Der Messaufbau entspricht einem Drei-Elektrodensystem mit der beschichteten Edelstahlprobe (2,54 cm²) als Arbeitselektrode, Platin-Gegenelektrode und Quecksilbersulfat-Referenzelektrode.

Die Korrosionsstromdichte der Beschichtungen wurde vorwiegend mit Linear-Sweep-Voltammetrie-(LSV) Messungen bestimmt.

Weiterhin erfolgten Langzeittests bei konstantem Potential und Impedanzmessungen zur Beschreibung des Korrosionsverhaltens und - widerstands. Zudem kamen physikalisch - optische Messmethoden wie die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und die Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM) zum Einsatz, um die Schichtdicke zu ermitteln sowie die Oberfläche in Abhängigkeit der Beanspruchungsdauer auf Rauigkeit und Porosität untersuchen zu können.

Ziel des Vorhabens ist die Ermittlung der kritischen Schichtdicke einer galvanischen Beschichtung, um den Stahl im analysierten Spannungsbereich und bei entsprechender Elektrolyt­konzentration und -temperatur auf Dauer vor Korrosion zu schützen.

Literatur:

[1] M. Langemann: Bipolarplattenmaterialien für Polymer-Elektrolyt-Membran Elektrolyse; Schriften des Forschungszentrums Jülich,
     Reihe Energie & Umwelt, Band 348, 2016.

[2] G. H. Tjarks: PEM-Elektrolyse-Systeme zur Anwendung in Power-to-Gas Anlagen;
     Dissertation an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Fakultät für Maschinenwesen, 2017.

[3] P. Lettenmeier, R. Wang, R. Abouatallah, B. Saruhan, O. Freitag, P. Gazdzicki, T. Morawietz, R. Hiesgen, A. S. Gago, K. A. Friedrich:
     Low-Cost and Durable Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Electrolyzers; Scientific Reports, Vol. 7, Article number: 44035, 2017.

[4] M. Fritz: Untersuchung der Abscheidung von Metallschichten auf Edelstahl unter Strömungsbedingungen;
     Diplomarbeit an der Technischen Universität Ilmenau, Fachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnik, 2007.

Zur Person

Christoph Zimmermann absolvierte zunächst seinen Bachelor an der Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg im Studiengang Elektrotechnik mit Schwerpunkt Erneuerbare Energien; anschließend folgte das Masterstudium „Regenerative Energietechnik“ an der Technischen Universität Ilmenau. Im Rahmen seiner Masterarbeit befasst sich Herr Zimmermann mit der galvanischen Beschichtung von Stahl mit ausgewählten Metallen und der Untersuchung dieser Schichtsysteme.

Kontakt

Prof. Dr. Dr. h.c. Andreas Bund
Technische Universität Ilmenau
Fachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnik
andreas.bund(at)tu-ilmenau.de

Christoph Zimmermann
christoph.zimmermann(at)tu-ilmenau.de