Brennstoffzelle 2.0

Physik Journal - Neue Materialien machen Brennstoffzellen leichter, robuster und preiswerter.

Eine Brennstoffzelle setzt chemische Energie eines Oxidationsprozesses direkt in elektrische Energie um: Wasserstoff und Luftsauerstoff reagieren im Beisein einer protonenleitenden Membran und zweier Elektroden an der Kathodenseite zu Wasser. Dabei entsteht nutzbare elektrische Energie. Das ist inzwischen ein alter Hut. Warum kann man dennoch keine Elektroautos mit Brennstoffzellen kaufen?

Heute gängige Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (NT-Zellen) werden bei einer Membran-Temperatur von rund 80 °C betrieben. Steigt die Temperatur über diesen Wert, bricht die Leistung ein und die Zelle wird letztendlich zerstört. Deshalb benötigen Fahrzeuge mit NT-Zellen ein aufwändiges Kühlsystem. Zudem müssen die zugeführten Gase permanent befeuchtet werden, da sonst die für die Funktion wichtigen, in der Membran eingelagerten Wassermoleküle nach und nach verdunsten. Kühlung und Befeuchtung erschweren einen Einsatz im Serienfahrzeug.

Abb.: Ein Stapel aus Hochtemperatur-Brennstoffzellen im Prüfstand. (Quelle: VW)

Eine nun von Volkswagen vorgestellte Hochtemperatur-Brennstoffzelle (HT-Zelle) arbeitet dagegen mit einer neu entwickelten Membran und speziell aufgebauten Elektroden bis zu einer Grenztemperatur von 160 °C. Das Ergebnis: Sowohl eine aufwändige Kühlung als auch ein kompliziertes Befeuchtungssystem sind überflüssig.

Bei der neuen HT-Zelle findet die Protonenleitung in der Membran nicht über eingelagerte Wassermoleküle, sondern über Phosphorsäure statt. Phosphorsäure ist ein ähnlich guter Elektrolyt wie Wasser, besitzt aber einen höheren Siedepunkt. Allerdings entsteht in der HT-Membran, wie bei der NT-Membran, sog. Produktwasser, das in die Membran eindringen und die Phosphorsäure auswaschen kann, sodass der Stromfluss abbricht. Es sei denn, man modifiziert zusätzlich auch noch die Elektroden.

Dazu beschichten die Forscher mit einer speziellen Siebdruckmaschine aus der Halbleitertechnik mehrere Kohlenstoff-Vliese mit einer katalytisch aktiven Platinpaste. Dieser Aufbau der Elektrode verhindert das Auswaschen der Phosphorsäure. Im Jahr 2010 könnte die se Technologie erste Versuchsfahrzeuge antreiben.

Holger Kock

Quelle: Physik Journal, Dezember 2006, S. 15