Titanfilz, ein poröses, hochleitfähiges und korrosionsbeständiges Material, hat sich zu einer entscheidenden Komponente in modernen Elektrolysesystemen entwickelt und spielt eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung einer skalierbaren Produktion von grünem Wasserstoff. Da sich die Industrie hin zu grünen Energielösungen wie der Wasserstoffproduktion verlagert, ist die Nachfrage nach langlebigen und effizienten Materialien für Elektrolyseure stark gestiegen. Daher ist es sehr wichtig, die Rolle von Titanfilz im Elektrolyseur zu verstehen.
Grundprinzipien von Titanfilz in Elektrolyseuren
Elektrolyseure nutzen einen elektrochemischen Prozess, um Wasser (H2O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu trennen. Titanfilz dient aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften als Gasdiffusionsschicht (GDL) oder Elektrodensubstrat:
Poröse Struktur
Das Netzwerk aus miteinander verbundenen Fasern aus Titanfilz schafft Wege mit großer Oberfläche für:
Gasdiffusion: Effizienter Transport von H₂ und O₂ weg von Reaktionsstellen.
Flüssigkeitspermeation: Gleichmäßige Verteilung von Elektrolyten (z. B. KOH in alkalischen Systemen) oder Wasser (in PEM-Systemen).
Diese Struktur verhindert, dass Gasblasen die Elektrode verstopfen und sorgt so für unterbrechungsfreie Reaktionen.
Elektrische Leitfähigkeit
Durch den geringen Widerstand von Titan wird ein schneller Elektronentransport zwischen der Katalysatorschicht und dem Stromkollektor ermöglicht.
Dies minimiert Energieverluste und verbessert die Effizienz des Elektrolyseurs.
Elektrochemische Stabilität
Titan bildet in korrosiven Umgebungen eine passive Oxidschicht (TiO₂), die es vor Zersetzung schützt in:
Saure PEM-Elektrolyseure.
Alkalische Elektrolyseure.
Hochtemperatur-Festoxidelektrolyseure.
Katalysatorunterstützung
Die raue Oberfläche von Titanfilz bietet Verankerungsstellen für Katalysatoren (z. B. Iridium, Platin).
Verbessert die Ausnutzung und Langlebigkeit des Katalysators, indem es die Ablösung während der Gasentwicklung verhindert.
Wichtige funktionale Rollen von Titanfilz
1. Gasdiffusionsschicht (GDL)
In „Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren“ (PEM) fungiert Titanfilz als GDL, der zwischen der mit dem Katalysator-beschichteten Membran (CCM) und der Bipolarplatte positioniert ist. Zu seinen Aufgaben gehören:
Gastransport: Leitet H₂ (Kathode) und O₂ (Anode) vom Katalysator weg, um eine Blockierung aktiver Stellen zu verhindern.
Wassermanagement: Ermöglicht das Erreichen des Wassers zur Katalysatorschicht für eine kontinuierliche Spaltung, während überschüssiges Wasser ausgestoßen wird, um Überschwemmungen zu vermeiden.
2. Elektrodensubstrat
In „alkalischen und PEM-Systemen“ dient Titanfilz als Rückgrat für Elektroden:
Stromverteilung: Verteilt den elektrischen Strom gleichmäßig über die Katalysatorschicht und verhindert so Hotspots.
Mechanische Unterstützung: Bewahrt die strukturelle Integrität unter Hochdruckbedingungen (z. B. 30–70 bar in PEM-Systemen).
3. Korrosion-Beständige Barriere
In Chlor-Alkali-Elektrolyseuren (die Chlor und NaOH erzeugen) widersteht Titanfilz:
Chlor-reiche Umgebungen an der Anode.
Natronlauge (NaOH) an der Kathode.
Dadurch wird eine Materialverschlechterung vermieden, die bei herkömmlichen Stahl- oder Nickelnetzen auftritt.
4. Wärmemanagement
Die hohe Wärmeleitfähigkeit von Titan trägt zur Ableitung der Wärme bei, die beim Betrieb mit hoher -Stromdichte- entsteht.
Verhindert Überhitzung, die zur Verformung von Komponenten oder zur Verringerung der Katalysatoraktivität führen kann.
