Korrosions-Know-how ermöglicht den Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft
- 10.12.2021
- Erstellt von Erik Thomas
Wie wir alle wissen, sind fossile Brennstoffe endlich, und Experten arbeiten unermüdlich daran, nachhaltige alternative Energiequellen zu finden, die die Welt von morgen versorgen können. Wasserstoffgas wurde in den letzten zehn Jahren als eine gute Option angesehen, da es zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen verwendet werden kann, indem man Wasserstoffgas in Wasser umwandelt. Das Hauptproblem war, dass Wasserstoff hauptsächlich aus Erdgas gewonnen wird. Da es sich bei Erdgas um einen fossilen Brennstoff handelt, ist er auf lange Sicht nicht nachhaltig.
Wie der Name schon sagt, ist ein Elektrolyseur ein System, das den Prozess der Elektrolyse ermöglicht. Bei dieser Technik wird eine ansonsten nicht spontane chemische Reaktion mit elektrischem Gleichstrom angetrieben. Elektrolyse" bedeutet wörtlich "Aufspaltung durch Elektrizität" und nutzt daher Elektrizität, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten (2H2O > 2H2 + O2).
Eine einzelne Elektrolysezelle ist nicht praktikabel, da sie eine sehr begrenzte Leistung in Bezug auf Gasvolumen/Gasvolumenraten hat. Um diesen Prozess zu vergrößern, werden die einzelnen Stapel mehrmals wiederholt, um einen Elektrolyseur-Stapel (oder idem Brennstoffzellen-Stapel) zu erzeugen. Einige Platten erfüllen einen doppelten Zweck, indem sie sowohl als Kathode als auch als Anode dienen, weshalb sie als "bipolare Platten" bezeichnet werden. Bipolarplatten sind mit kleinen Strömungskanälen für den Transport von Gas und Wasser ausgestattet.
Da unser blauer Planet zu 71 % aus Wasser besteht und der Elektrolyseur keine fossilen Brennstoffe benötigt, könnte dies ein interessanter Weg auf der Suche nach dauerhafteren Energiequellen sein. Wie bereits erwähnt, erzeugt eine Brennstoffzelle elektrische Energie, indem sie genau den umgekehrten Prozess durchführt. So entsteht ein Kreislauf.
Logistische Herausforderung
Unser Planet ist mit einem Netz von Versorgungsketten ausgestattet, um fossile Brennstoffe von A nach B zu transportieren. Einige Häuser haben eine Zentralheizung, die mit Erdgas betrieben wird. Das Gas wird vom Energieversorger über physische Rohre an den Verbraucher verteilt.
Stellen Sie sich vor, Ihr Haus ist mit einem Gasbrenner ausgestattet, um die Heizung zu erleichtern. Ein Gasbrenner kann so umgerüstet werden, dass er Wasserstoffgas anstelle von Erdgas verbrennt. Das Wasserstoffgas muss aber noch zum Verbraucher gelangen.
Die Lösung scheint einfach zu sein: die Erdgasleitungen für den Transport von Wasserstoffgas zu nutzen.
Hier kommt die erste Herausforderung. Wasserstoffgas hat andere Eigenschaften als Erdgas. Die Rohre wurden speziell für den Transport von Erdgas entwickelt, und da sie für wasserstoffspezifische Versagensmechanismen anfällig sind, sind sie für den Transport von Wasserstoff nicht so gut geeignet. Wasserstoff kann zu einer Versprödung des Materials führen und das Risiko einer unbeabsichtigten Freisetzung von Wasserstoffgas durch Brüche erhöhen.
Die Lösung könnte einfach sein: Überspringen Sie die Transportphase und erzeugen Sie das Wasserstoffgas mit einem Elektrolyseur an dem Ort, an dem es verwendet werden soll. So kann beispielsweise überschüssig produzierte grüne Energie gespeichert werden. Doch selbst die neuesten Konstruktionen sind noch zu klein, um ein ganzes Haus mit dem für die Stromerzeugung erforderlichen Wasserstoff zu versorgen. Der Hauptgrund dafür ist die Membran, die sich als echte Herausforderung erweist, wenn es darum geht, sie so zu vergrößern, dass sie in einen wirtschaftlich machbaren Elektrolyseur passt, der im Verbrauchermaßstab, geschweige denn im industriellen Maßstab, eingesetzt werden kann.
Schließlich sind die bipolaren Metallplatten, die in stark saure oder alkalische Bedingungen getaucht werden, anfällig für Korrosion. Wenn Korrosion an den Platten auftritt, sinkt die Effizienz des Elektrolyseurs.
Diese Herausforderung ist bei Elektrolyseuren besonders groß, da die Bedingungen in Brennstoffzellen weniger aggressiv für das Metall sind. In den folgenden Abschnitten werden wir den spezifischen Ansatz für die Materialauswahl für Brennstoffzellen und Elektrolyseure näher erläutern
Korrosion in Brennstoffzellen: Stahl vs. Titan
Obwohl Brennstoffzellen eine weniger extreme Umgebung für die Metallplatten bieten als Elektrolyseure, ist Korrosion in Brennstoffzellen immer noch ein heikles, aber wichtiges Thema. Die zulässige Korrosionsrate sollte im Bereich von µm/Jahr liegen. Dies ist das Ergebnis der geringen Toleranz gegenüber Korrosion, da sie sich direkt negativ auf die Leistung auswirkt.
Betrachtet man die in Brennstoffzellen verwendeten Werkstoffe genauer, so werden in der Regel hochlegierte nichtrostende Stähle (wie Superduplex, Superaustenit) oder Titan verwendet. Obwohl Titan vorteilhafte Eigenschaften für die Verwendung als Grundmaterial in Brennstoffzellen hat, reagiert Wasserstoff mit Titan. Diese Reaktion führt zur Bildung von Titanhydrid (TiH2), wodurch das Basismaterial spröder wird. Bei der Verwendung von Titan in Brennstoffzellen werden zusätzliche Maßnahmen gegen die Wasserstoffversprödung getroffen, indem Oberflächenbeschichtungen wie Titannitrid aufgebracht werden.
Korrosion in Elektrolyseuren: Materialauswahl ist entscheidend
Bei Elektrolyseuren erweist sich die Materialauswahl als schwieriger. Einerseits benötigt ein Elektrolyseur ein chemisch beständiges Material, das der korrosiven Umgebung standhält. Andererseits muss das Material aber auch stapelbar und damit verformbar sein. Dies stellt eine neue Herausforderung dar: Um verformbar zu sein, muss das Material dünn sein, was wiederum seine Lebensdauer im Falle von Korrosion verringert. Eine mögliche Lösung liegt auch hier im Aufbringen einer dünnen, leitfähigen Schutzschicht (wie Titannitrid oder Platin).
Tests zur Auswahl des richtigen Materials
Die Forschung auf dem Gebiet der Materialauswahl ist noch nicht abgeschlossen. Sie fragen sich vielleicht, wo Sie bei der Wahl des richtigen Materials und der zusätzlichen Maßnahmen zum Schutz vor Korrosion anfangen sollen.
Um diese vergleichende Analyse zwischen verschiedenen Optionen durchzuführen, ist es empfehlenswert, elektrochemische Untersuchungen durchzuführen, wie z. B. zyklische Polarisationstests mit Tafel-Analyse. Diese Art der Messung wird mit einem Potentiostat durchgeführt. Die gemessene Korrosionsstromdichte in µA/cm² wird in eine Korrosionsrate in µm/Jahr umgerechnet. Ein Vorteil dieses Tests ist die Flexibilität: Der Test dauert in der Regel weniger als einen Tag, was es ermöglicht, den Test mit verschiedenen Lösungen oder Materialien durchzuführen, auch mit solchen, mit denen Sie noch keine Erfahrung haben.
Erik Thomas
Materials Investigation Manager
METALogic N.V. member of TÜV AUSTRIA Group
Wingepark 43 – 3110 Rotselaar – Belgium
Tel +32 16 39 60 00
Erik.Thomas(at)METALogic.be
METALogic.be
Korrosions-Know-how ermöglicht den Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff der Zukunft: Wasserstoffgas hat andere Eigenschaften als Erdgas. Die Rohre wurden speziell für den Transport von Erdgas entwickelt, und da sie für wasserstoffspezifische Versagensmechanismen anfällig sind, sind sie für den Transport von Wasserstoff nicht so gut geeignet. Wasserstoff kann zu einer Versprödung des Materials führen und das Risiko einer unbeabsichtigten Freisetzung von Wasserstoffgas durch Brüche erhöhen. (C) METALogic, TÜV AUSTRIA Group
Elektrolyseur, eine plausible Lösung? Wie in der obigen Abbildung dargestellt, wird Wasser durch Strom entweder in Wasserstoff (über die Kathode) oder in Sauerstoff (über die Anode) aufgespalten. Die Kathode und die Anode werden von einer Metallplatte mit einer porösen Schicht gehalten, die mit einem Katalysator beschichtet ist, der die Reaktion in Gang setzt. Zwischen den Platten befinden sich Membranen für den Transport von Ionen und Wasser zwischen den verschiedenen Bereichen. (C) METALogic, TÜV AUSTRIA Group
Korrosion in Brennstoffzellen: Stahl vs. Titan: Betrachtet man die in Brennstoffzellen verwendeten Werkstoffe genauer, so werden in der Regel hochlegierte nichtrostende Stähle (wie Superduplex, Superaustenit) oder Titan verwendet. Obwohl Titan vorteilhafte Eigenschaften für die Verwendung als Grundmaterial in Brennstoffzellen hat, reagiert Wasserstoff mit Titan. Diese Reaktion führt zur Bildung von Titanhydrid (TiH2), wodurch das Basismaterial spröder wird. Bei der Verwendung von Titan in Brennstoffzellen werden zusätzliche Maßnahmen gegen die Wasserstoffversprödung getroffen, indem Oberflächenbeschichtungen wie Titannitrid aufgebracht werden. (C) METALogic, TÜV AUSTRIA Group
