Die Brennstoffzelle verfügt über großes Potenzial in der emissionsfreien Mobilität, denn die Vorteile gegenüber aktuellen Elektrofahrzeugen sind schlichtweg gravierend. © Pixabay

Auf der Suche nach besseren Katalysatoren

Im Automobil, in der Industrie, im Haushalt – Brennstoffzellen gelten in ­zahlreichen Segmenten als zukunftsträchtige Technologie zur Energieversorgung. So nimmt etwa die durchschnittliche Reichweite von Elektrofahrzeugen unter ­anderem dank des Einsatzes von Brennstoffzellen deutlich zu. Die jüngsten ­Entwicklungen machen die Zellen nun noch effizienter.

Eine der größten Sorgen potenzieller Käufer von Elektrofahrzeugen ist üblicherweise die beschränkte Reichweite, die mit einer Batterie­ladung zurückgelegt werden kann. Als wichtiger Hoffnungsträger in diesem Bereich gilt die Brennstoffzelle. Wenig Wunder, versprechen Brennstoffzellen doch schadstoffarme Produktion elektrischer Energie. Denn: Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.

Die Entwicklung schreitet aktuell rasant voran.
So fanden Forscher der Universität Aalborg unlängst heraus, dass ein einfaches Kunststoff­gitter von 16 mal 16 Zentimetern die Effizienz luftgekühlter Brenstoffzellenstacks deutlich steigert. In Tests hat der TurbuGrid ein Plus von mindestens 33,5 Prozent bewirkt, berichten die Forscher. Dabei sorgt das Gitter einfach nur für Turbulenz im kühlenden Luftstrom. Dies verbessert allerdings die Wärmeübertragung derartig, dass neue Brennstoffzellen noch größere Effi­zienzgewinne und eine längere Lebensdauer er­langen könnten.
Bei luftgekühlten Brennstoffzellenstacks führt den Projektbeteiligten zufolge ein Luftstrom Abwärme ab, um die Zellen bei einer möglichst idealen Betriebstemperatur zu halten und so für größtmögliche Effizienz zu sorgen. „Bislang haben sich Forscher und Industrie bemüht, einen möglichst gleichmäßigen Luftstrom zu erreichen“, erläutert Torsten Berning, Professor am Institut für ­Energietechnik der Universität Aaalborg, ­gegenüber dem Branchendienst Pressetext. Dies sollte Effizienzverluste durch Druckabfälle verhindern, doch genau dies sei offenbar gar nicht so wichtig. „Unsere Forschung zeigt, dass es viel wichtiger ist, eine effektive Wärmeübertragung sicherzustellen.“

Turbulenzen sorgen für bessere Wärmeübertragung
Dieses Ziel erreichten die Forscher mittels TurbuGrid. Denn das Kunststoffgitter sorgt für Turbulenz im Luftstrom, die ihrerseits eine bessere Wärmeübertragung bewirken. Das wiederum ermöglicht es, mehr Leistung aus den Zellen zu ziehen. „Denn das erzeugt zwar mehr Wärme, doch da diese besser abgeführt wird, ist es leichter, trotzdem ein Überhitzen der Brennstoffzellen zu verhindern und diese auf einer idealen Betriebstemperatur (etwa 50 bis 60 Grad Celsius, Anm. d. Red.) zu halten.“
Sowohl Modellrechnungen als auch Versuche mit dem TurbuGrid hätten ergeben, so die Forscher, dass Effizienz und Leistung von Brennstoffzellen dank TurbuGrid klar steigen. Allein dies sei inte­ressant, da luftgekühlte Brennstoffzellenstacks beispielsweise für die Notstromversorgung von IT-Systemen zum Einsatz kommen. Dazu kommt laut den Forschern, dass die bessere Temperatur­regelung auch die Lebensdauer der Zellen steigern sollte – sich die Investition in ein solches Energieversorgungssystem also länger lohnt als wie derzeit üblich für fünf bis sechs Jahre.

Alternative Techniken
Wissenschaftler des Idaho National Laboratory (INL) haben den Energiebedarf für die Hochtemperaturelektrolyse drastisch gesenkt. Während beispielsweise Unternehmen (etwa Sunfire) mit einer Betriebstemperatur von 800 Grad Celsius arbeiten, kommen die INL-Forscher mit 600 Grad aus, indem sie eine spezielle Elektrode aus leitfähiger Keramik nutzen. Der Wirkungsgrad soll deutlich über den 70 Prozent liegen, die mit der bisher effektivsten Technik erreicht werden.
Bei der Elektrolyse wird Wasserdampf mithilfe von Strom in Wasser- und Sauerstoff aufgespalten. Wenn ausschließlich emissionsfreier Strom etwa aus Windgeneratoren, Photovoltaikanlagen und Kernkraftwerken genutzt werde, ist dieser Wasserstoff ein absolut umweltverträglicher Energie­träger, weil bei der Verbrennung lediglich Wasserdampf entsteht. Wasserstoff gilt als Treibstoff der Zukunft für Fahrzeuge und wird in großem Stil auch in der chemischen und petrochemischen Industrie eingesetzt.
Die von den Forschern genutzte Elektrode basiert auf einer gewebten Matte aus brennbarem Material. Diese wird in eine Suspension eingetaucht, in der sich die Ausgangsstoffe für Keramik befinden. Wie von Zauberhand bläht sich die Matte in der Folge zu einem 3D-Gebilde auf. Wie das genau funktioniert, sei das Geheimnis der Forscher. Danach wir die ursprüngliche Matte verbrannt, übrig bleibt eine äußerst poröse Elektrode. „Wir haben eine dreidimensionale Elektrode erfunden, die aus einer zweidimensionalen Matte entsteht“, unterstreicht Dong Ding, der an der Entwicklung maßgeblich beteiligt war.

Wasserstoff kostengünstig herstellen
Allein die USA haben eine Wasserstoffproduk­tionskapazität von elf Millionen Tonnen pro Jahr. Nur vier Prozent davon werden per Elektrolyse gewonnen, der Rest aus Erdgas, Öl und Kohle. Bei der Herstellung fallen aber sehr große Mengen an Schadstoffen an, ebenso wie Kohlendioxid. Mit der neuen, kostengünstigeren INL-Elek­trolyse­technik könnte die Herstellung nun wirtschaftlicher werden.
Die Keramikelektrode wird dabei von einem Elektrolyten umhüllt, der wiederum mit der zweiten Elektrode beschichtet ist. Liegt zwischen den Elektroden eine elektrische Spannung, so wird der Dampf, der in die Keramikelektrode strömt, in Wasser- und Sauerstoff zerlegt. Der Sauerstoff diffundiert durch den Elektrolyten zur zweiten Elektrode, der Wasserstoff wird eingefangen und in Drucktanks gelagert.
Mit einem neuen Katalysator können Brennstoffzellen sogar noch schneller Strom produzieren. Das ist wichtig, wenn sie Elektroautos mit Energie versorgen sollen, so die Forscher. Wenn etwa plötzliches Beschleunigen nötig ist, steht so immer genügend Strom zur Verfügung. Den Katalysator haben der Materialwissenschaftler Professor Meilin Liu von der Hochschule Georgia Tech und dessen Doktorand Yu Chen entwickelt.

Flaschenhals Sauerstoff
Heutige Brennstoffzellen seien relativ schwer­fällig, was die Stromerzeugung betrifft, so der Materialwissenschaftler. Das liegt an einem chemischen Engpass. Die Versorgung der Zelle mit Sauerstoff aus der Luft, den diese benötigt, um Strom zu erzeugen, ist eher schleppend. An der Anode werden dem Wasserstoff Elektronen entzogen (Oxidation). Diese fließen durch einen externen Stromkreis und versorgen so einen Verbraucher, etwa den Motor eines Elektrofahrzeugs. Die entzogenen Elektronen landen dann an der Kathode. Dort nimmt Sauerstoff die Elektronen auf, der Stromkreis schließt sich. Der jetzt positiv geladene Wasserstoff und der negativ geladene Sauerstoff vereinigen sich zu Wasser.
In dieser Kette ist Sauerstoff das Hindernis, da Wasserstoff in der Lage ist, Elektronen so schnell abzugeben, dass der Sauerstoff mit der Aufnahme nicht mitkommt. Der neue Katalysator wirkt daher wie ein Turbolader in einem Verbrennungsmotor und sorgt dafür, dass mehr Sauerstoff in den Zylindern landet, sodass die Leistung letztlich signifikant steigt.
Der neue Kat basiere, wie so viele technische Fortschritte, auf der Nanotechnologie. Es ist ein zweistufiger Prozess: Zunächst sorgt der Katalysator dafür, dass Sauerstoff Elektronen, die der Wasserstoff auf der anderen Seite des Stromkreises liefert, schnell aufsaugt. Es entstehen negativ geladene Ionen, die sich in der Struktur der Nanopartikel einnisten. Von dort aus gelangen sie zu ihrer Endposition und vereinigen sich mit Wasserstoff­ionen.
„Der Sauerstoff bewegt sich sehr schnell und dringt in die Brennstoffzelle ein. Dort trifft er auf ionisierten Wasserstoff“, erklärt Liu. Oder auf Methanmoleküle, wenn die Brennstoffzelle damit versorgt wird. In diesem Fall entsteht allerdings nicht nur Wasser, sondern auch Kohlendioxid. Die Nanopartikel sind zweigeteilt. Beide basieren auf Kobalt, welches in Sektion eins mit Barium und in Sektion zwei mit dem Seltenerdmetall Praseodym angereichert ist.

Kobalt statt Platin
Auch David Kisailus, Professor für innovative Energien an der University of California, und sein Team haben einen neuen Katalysator, der die Kosten für die Herstellung von Brenn­stoffzellen drastisch senken soll, entwickelt. Sie setzen als Basismaterial allerdings poröse Kohlenstofffasern ein, deren Durchmesser im Nano­bereich liegt. Diese kombinieren sie mit einem Materialmix auf der Basis des relativ häufig ­vorkommenden ­Elements Kobalt. Dessen Preis sei hundertmal geringer als der für Platin, ein häufig genutztes Material für Brennstoffzellen­katalysatoren.
Kisailus hat sich die Polymerelektrolyt- oder ­Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) vorgenommen. Das ist eine sogenannte Niedrigtemperaturbrennstoffzelle, die zwischen 60 und 120 Grad Celsius arbeitet. Ihr Charakteristikum ist ein Elektrolyt aus Kunststoff. Dieser trennt Wasserstoff von Luft beziehungsweise Sauerstoff, damit diese sich nicht explosionsartig wie bei der Knallgasexplosion miteinander verbinden, sondern langsam oxidieren und somit reduziert werden. Bei diesem Prozess fließt nutzbarer elek­trischer Strom.
Der Kat zerlegt Wasserstoffatome in Protonen, elektrisch positiv geladene Atomkerne und ­negativ geladene Elektronen. Wenn das System mit ­Sauerstoff gefüttert wird, der mit Strom pro­duziert wird und bei dessen Erzeugung kein ­Kohlendioxid entsteht, bleibt die Umwelt völlig unbelastet. Die Forscher stellen aus den ange­reicherten Kohlenstofffasern mithilfe des Elektrospinnver­fahrens extrem dünne, flexible Blätter her. Wenn diese auf eine bestimmte ­Temperatur gebracht werden, bilden sich Nano­partikel aus Kobalt – die Forscher haben es aber auch schon mit Eisen und Nickel probiert. Kobalt sei am effektivsten gewesen. Laut den Forschern, die von Kollegen der Stanford University unterstützt werden, arbeitet ihr Katalysator ebenso gut wie jener auf der Basis von Platin, wie ihn die Industrie einsetzt.

Effizientere Stromerzeugung
Für die Nutzung erneuerbarer Energien sind Festoxid-Brennstoffzellen aus keramischen Materialien interessant, da sie beispielsweise Biomasse und Flüssiggas effizient in Strom umwandeln können. Ein Problem dabei ist aber die Lebensdauer der Geräte. Eben diese lässt sich aber mit ein klein wenig Metall deutlich steigern, wie Forscher des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) herausfanden. Denn eine Dotierung mit minimalen Metallmengen mache die gängigen Kathoden deutlich haltbarer.
Die Kathode ist, wie die Forscher betonen, ein Schlüsselfaktor für die Leistungsfähigkeit von Festoxid-Brennstoffzellen. Üblicherweise kommen daher Oxid-Materialien mit Perowskit-Struktur als Kathode zum Einsatz. Denn diese bieten eine anfangs sehr hohe Leistungsfähigkeit. Allerdings baut sich diese relativ schnell ab, was die Lebensdauer der Brennstoffzellen begrenzt. Eben dem lässt sich aber mit Metall entgegen­wirken, wie das KAIST-Team mithilfe von Computerchemie und experimentellen Daten nachweisen konnte.
Denn der Abbau der gängigen Oxid-Kathoden hängt damit zusammen, dass sich an der Ober­fläche Sekundärphasen wie insbesondere ­Strontiumoxide ablagern. Wie das KAIST-Team festgestellt hat, begünstigen lokale Material­belastungen rund um Strontium-Atome in der Perowskit-Struktur diese Ablagerungen.
Durch an geeigneten Stellen in das Materialgitter eingefügte Metalle können ebendiese Belastungen reduziert werden. Das behindert störende ­Strontiumoxid-Ablagerungen, sodass die Kathode und damit die Brennstoffzelle länger hält, erklären die Wissenschaftler.

Kosten der Technologie senken
Die Brennstoffzelle wird zunehmend als ernst zu nehmende Alternative zum klassischen E-Auto mit Batteriezellen angesehen. Das größte Problem sind jedoch die relativ hohen Kosten der Technologie. Diesen Nachteil will nun eine Kooperation von Volkswagen und der US-Universität Stanford mittels eines neu entwickelten Verfahrens deutlich verringern.
Einer der größten Kostentreiber bei der Brennstoffzelle ist vor allem der Einsatz des Edelmetalls Platin. Platin wird als Katalysator benötigt, um die Brennstoffzelle zu betreiben. Das Material wird als Partikel auf Kohlenstoffpulver verteilt. Der gewünschte katalytische Prozess findet allerdings nur an der Oberfläche der Platinpartikel statt, wodurch große Mengen des kosteninten­siven Materials verschwendet werden, erklären die Forscher.
In dem neu entwickelten Verfahren werden hin­gegen Platinatome gezielt auf eine Kohlen­stoffoberfläche gesetzt, um so extrem dünne Partikel zu erzeugen. Dadurch kann die derzeitig benötigte Menge an Platin auf einen Bruchteil verringert werden. Zusätzlich erhöht sich die ­Effizienz des neu entwickelten Brennstoffzellen­katalysators im Vergleich zur aktuellen Technik um das Dreifache, während gleichzeitig die Haltbarkeit erhöht wird.

Lebensdauer von Brennstoffzellen deutlich steigern
„Diese Technologie eröffnet enorme Möglich­keiten für die Kostenreduktion, da die eingesetzte Edelmetallmenge minimiert wird. Gleichzeitig steigen Lebensdauer und Katalysatorperformance. Neben der Brennstoffzelle bietet die Atomlagenabscheidung aber auch eine ganze Reihe weiterer Anwendungsmöglichkeiten, bei denen Hoch­leistungsmaterialien benötigt werden, wie z. B. bei Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Genera­tion“, erklärt Professor Fritz Prinz von der ­Universität Stanford.
Von den neuen Erkenntnissen profitieren also nicht nur Brennstoffzellen. „Dies ist natürlich auch für andere automobile Anwendungsbereiche interessant, wie etwa Batterien. Die modifi­zierte Variante der Atomic Layer Deposition (ALD), die hier entwickelt wurde, hebt das Ganze jedoch auf eine ganz neue Ebene“, unterstreicht Thomas Schladt aus der Volkswagen-Konzern­forschung.
Die Brennstoffzelle hat großes Potenzial in der emissionsfreien Mobilität, denn die Vorteile gegenüber aktuellen Elektrofahrzeugen seien „gravierend“. In puncto Effizienz, Reichweite und Tankzeiten seien Autos mit Brennstoffzelle vergleichbar mit konventionellen Verbrennungs­motoren. Mithilfe der neuen Katalysator­technologie würde die Wirtschaftlichkeit enorm steigen. Damit wäre die Brennstoffzelle „eine echte Alternative zu batterieelektrischen Antrieben und dem klassischen Verbrennungsmotor“. Die Aufgabe der Forscher sei es nun, die im Labor erzielten Ergebnisse als Nächstes auf die indus­trielle Großproduktion zu übertragen. (TM)
www.en.aau.dk
www.inl.gov
www.gatech.edu
www.ucr.edu
www.kaist.edu
www.vw.com
www.me.stanford.edu