Verbundvorhaben: H2Giga_TP_DERIEL: De-Risking PEM Elektrolyseur

Abstract

Die mikroelektrochemische Bestimmung von pH-Wert-Änderungen nahe der Oberfläche arbeitender Membranelektrodeneinheiten ( MEAs ) wurde ein miniaturisierter Elektrolyseurteststand aufgebaut, der erlaubte, eine Mikroelektrode unmittelbar an der arbeitenden Ir-Anode zu positionieren. Au-Mikroelektroden sind geeignet, voltammetrisch über die Verschiebung des Au-Oxid-Reduktionspeaks auf die lokale pH-Wert-Änderung zu schließen. In der MEA-Konfiguration treten bei intakter protonenleitfähiger Membran keine pH-Änderungen auf. Dieses Ergebnis ist von großer Bedeutung für die Stabilität eines PEM-Elektrolyseurs bzw. des Katalysators, da bei hoher Protonenleitfähigkeit der PEM-Membran die Katalysatorbelastung durch lokale Ansäuerung ausgeschlossen werden kann. Die Methode wurde dann auf MEA-Systeme aus industriellen Elektrolyseuren angewendet, die nach längerer Betriebszeit die Ausbildung von Ir-Filamenten durch die Membran zeigten. In der MEA-Konfiguration war das jedoch unerheblich und eine lokale Ansäuerung konnte nicht nachgewiesen werden. Die Untersuchung einzelner Katalysatorpartikel durch Kombination mikroelektrochemischer Experimente und der Beobachtung der Katalysatorpartikel im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) erfolgte durch Platzierung individueller IrOx-Partikel mit einem Mikromanipulator im Rasterelektronenmikroskop (SEM) auf einer Kohlenstoffnanoelektrode. Nach TEM-Charakterisierung mit einem speziell entwickelten Nanoelektrodenhalter und voltammetrischer Belastung zu extrem hohen Stromdichten zur beschleunigten Alterung konnten in nachfolgenden "identical location" -TEM-Messungen die Bildung einer amorphen IrOx -Schicht auf dem Katalysatorpartikel beobachtet werden. Die Dicke dieser amorphen Schicht scheint unabhängig von der Langzeitbelastung zu sein. Zusammen mit den lokalen pH-Messungen konnte durch mikroskopische und mikroelektrochemische Experimente die prinzipielle Stabilität der Katalysatorpartikel in einem PEM-Elektrolyseur bei hohen Stromdichten und ausreichender Protonenleitfähigkeit der Membran belegt werden.