Fallstudie: Titanschaum für PEM-Wasser-Elektrolyseure

Einführung

Stanford Advanced Materials (SAM), ein zuverlässiger Lieferant von hochentwickelten Werkstoffen und Spezialmetallen, hat kürzlich ein universitäres Forschungsprojekt in den Vereinigten Staaten unterstützt, bei dem hochwertiger Titanschaum als Teil eines PEM-Wasserelektrolyseurs(Proton Exchange Membrane) benötigt wurde.

[1]

Die Herausforderung

Das Forschungsteam wandte sich mit den folgenden Anforderungen an SAM:

• Materialeignung für die PEM-Forschung - Der Titanschaum musste seine Stabilität unter den für PEM-Elektrolyseure typischen, stark sauren Betriebsbedingungen unter Beweis stellen.
• Strukturelle Integrität und Porosität - Der Schaumstoff musste mechanisch stabil sein und gleichzeitig geeignete Porennetzwerke aufweisen, um die Gasdiffusion und Katalysatordispersion zu erleichtern.
• Abmessungen der Probe im Forschungsmaßstab - Der Test erforderte einen Versuchsaufbau und die Prüfung einer Titanschaumplatte (20 cm × 20 cm × 5 mm) im Labor.

Die Lösung

Der technische Beratervon SAM empfahl die Verwendung von TI1816 Titanium Foam, einem ultrahochwertigen porösen Titanprodukt, das in der Energie- und Elektrochemie weit verbreitet ist.

Der Titanschaumvon SAM enthält eine natürlich vorkommende Oxidschicht, die ihn vor Korrosion in sauren Umgebungen schützt. Der gelieferte Schaumstoff wies eine große Oberfläche und offene Porosität auf, was die Katalysatorausnutzung erhöhte und gleichzeitig die effektive Freisetzung von Wasserstoff und Sauerstoff förderte.

Die Ergebnisse

Die Forschungsgruppe konnte den SAM-Titanschaum erfolgreich in ihre F&E-Aktivitäten mit PEM-Wasserelektrolyseuren einsetzen. Die wichtigsten Ergebnisse waren:

• Validierung von Titanschaum als geeignetes Substrat - Das Material erwies sich als potenzieller Elektrodenträger, der die strukturellen und korrosionsbeständigen Anforderungen erfüllt.
• Verbesserte Forschungseffektivität - Die präzisen Abmessungen ermöglichten die direkte Integration in Testaufbauten ohne zusätzliche Bearbeitung.
• Ermöglichung von Forschung und Entwicklung im Bereich saubere Energie - Mit der Beschaffung von Titanschaum von SAM konnte das Projekt seinen Zweck zur Optimierung der Effizienz von Elektrolyseuren und der Leistung der Wasserstoffproduktion erfüllen.

Was ist Titanschaum?

Titanschaum ist ein dreidimensionales, poröses Leichtmetall, das die mechanischen und chemischen Vorteile des Titans mit den einzigartigen Leistungsmerkmalen einer Schaumstruktur verbindet. Es wird durch Verfahren wie Pulvermetallurgie mit Raumhaltertechniken, Gefriergießen oder additive Fertigung (3D-Druck) hergestellt, die eine Kontrolle über Porosität, Porengröße und strukturelle Homogenität ermöglichen.

Strukturelle Merkmale

Titanschaum weist in der Regel eine Porosität im Bereich von 40 % bis 80 % auf, die je nach gewünschter Anwendung angepasst werden kann. Die Porengröße kann von einigen zehn Mikrometern bis zu mehreren Millimetern angepasst werden, was maßgeschneiderte Massentransporteigenschaften ermöglicht. Trotz der offenen Struktur ist die Druckfestigkeit und Steifigkeit von Titanschaum im Verhältnis zur Dichte sehr hoch, so dass er unter Belastung sehr widerstandsfähig ist. Die durchgehende Metallstruktur bietet eine gute elektrische Leitfähigkeit und eignet sich daher als Elektrodenträger oder Stromabnehmer.

Wesentliche Merkmale

1. Korrosionsbeständigkeit - Die TiO₂-Beschichtung des Titans ist resistent gegen Säure und oxidativen Abbau.
2. Hohe spezifische Oberfläche - Bietet reichlich Reaktionsflächen, um elektrochemische Reaktionen und die Ablagerung von Katalysatoren zu erleichtern.
3. Durchlässigkeit für Gase und Flüssigkeiten - Die Poren sind so miteinander verbunden, dass sowohl Gas als auch Wasser abtransportiert werden können.
4. Struktur mit geringer Dichte - Geringere Dichte im Vergleich zu massivem Titan, aber Beibehaltung der erforderlichen Festigkeit.
5. Biokompatibilität - Ungiftig und kompatibel mit biologischen Systemen, daher auch in biomedizinischen Anwendungen einsetzbar.

Anwendungen von Titanschaum

• Energie und Elektrochemie: Titanschaum dient als Anodensubstrat, Katalysatorträger und Stromkollektor in PEM-Wasserelektrolyseuren sowie als Strömungsfeld und Gasdiffusionsschicht in Brennstoffzellen. Er wird auch als leitfähiges Gerüst in Lithium-Ionen- und Festkörperbatterien verwendet.
• Biomedizinische Technik: Titanschaum in Knochengerüsten und Knochenimplantaten verbessert die Osteointegration und wird aufgrund seiner Biokompatibilität und Zähigkeit in Zahnprothesen und chirurgischen Implantaten verwendet.
• Chemische Verarbeitung und Katalyse: Er wird als Katalysatorträger bei Hydrierungs- und Oxidationsreaktionen sowie in elektrochemischen Filtern und Reaktoren eingesetzt, die Korrosionsbeständigkeit erfordern.
• Luft- und Raumfahrt und Verteidigung: Titanschaum bietet leichte, korrosionsbeständige Strukturelemente und Wärmemanagement-Verbundwerkstoffe für Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Warum Titanschaum und kein anderes Material?

Bei der Auswahl von Elektroden- und Trägermaterialien für PEM-Wasserelektrolyseure gibt es mehrere Möglichkeiten, aber Titanschaum hat bestimmte Vorteile:

Weitere Informationen und fortschrittliche Materialien finden Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Was ist der TI1816 Titanschaum von SAM?

TI1816 Titanium Foam ist ein einzigartiges poröses Titanmaterial, das von Stanford Advanced Materials angeboten wird. Es wird in speziellen Plattenabmessungen, Dicken und Porositätsgraden geliefert, um spezielle Kundenanforderungen zu erfüllen. Es wird mit hoher Reinheit und struktureller Homogenität hergestellt und eignet sich besonders für anspruchsvolle Umgebungen wie Elektrolyse, Katalyse und biomedizinische Forschung.

Schlussfolgerung

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit lieferte Stanford Advanced Materials maßgeschneiderten Titanschaum für die Forschung an PEM-Wasserelektrolyseuren. Von der Erfüllung der strukturellen und korrosionsbeständigen Anforderungen des Projekts bis hin zur Bereitstellung präziser Abmessungen hat sich SAM als zuverlässiger Partner sowohl für die Industrie als auch für akademische Kunden erwiesen.

Referenz:

[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017). Schutzbeschichtungen für kostengünstige Bipolarplatten und Stromkollektoren von Protonenaustauschmembran-Elektrolyseuren für großtechnische Energiespeicher aus erneuerbaren Energien. 10.5772/intechopen.68528.