Kathode ohne Platin: Katalysator für günstigere Brennstoffzellen
Komplex aus Eisen, Kobalt und Kohlenstoff zeigte hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer.
Komplex aus Eisen, Kobalt und Kohlenstoff zeigte hohe Leistungsdichte und lange Lebensdauer.
Viel günstiger als heute können Brennstoffzellen ohne teures Platin werden. Denn US-amerikanische Forscher vom Los Alamos National Laboratory (LANL) ersetzten erfolgreich das seltene Edelmetall durch einen Katalysator aus Eisen, Kobalt und winzigen Rußteilchen. Erste Prototypen konnten aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff fast genauso effizient elektrischen Strom erzeugen wie Brennstoffzellen mit Platinelektroden. Die Forscher rechnen nun damit, die Herstellungskosten der Minikraftwerke mit ihrer patentierten Entwicklung deutlich senken zu können und so Brennstoffzellen als mobile Stromquelle zum Durchbruch zu verhelfen.
"Im Vergleich zu Platin ist das ein Katalysator zum Nulltarif", sagt LANL-Forscher Piotr Zelenay. So könne die größte Hürde für Wasserstoff-Brennstoffzellen überwunden werden. Denn die Substanzen des neues Katalysators – Eisen, Kobalt und Kohlenstoff – sind für einen Bruchteil der Kosten für Platin von derzeit knapp 1800 Dollar pro Feinunze zu bekommen. Möglich wurde dieser Schritt durch einen ausgeklügelten Syntheseprozess. So vernetzten Zelenay und Kollegen Rußpartikel miteinander, umhüllten sie mit der organischen Verbindung Polyanilin und fügten Teilchen aus Eisen und Kobalt hinzu. So entstand bei Temperaturen von bis zu 1.000 Grad ein Katalysator, der als Kathode in der Brennstoffzelle das Gas Sauerstoff reduziert.
Abb.: Mikroskopaufnahme des Eisen-Kobalt-Kohlenstoff-Katalysators. Das Material ordnet sich schalenförmig an und bietet eine große Reaktionsoberfläche. (Bild: Science, AAAS)
In mehreren Prototypen ersetzten die Wissenschaftler die Platinkathode der Brennstoffzellen gegen ihren neuen Katalysator. Gespeist mit Wasserstoff und Sauerstoff konnten sie hohe Leistungsdichten von 0,55 Watt pro Quadratzentimeter bei elektrischen Ausgangspannungen von bis zu einem Volt erzielen. Mit diesen Werten können die neuen Mini-Kraftwerke sehr gut mit den klassischen Platin-Brennstoffzellen mithalten. Auch die Haltbarkeit stellte die Forscher mit bis zu 700 Stunden bei nur geringem Leistungsverlust zufrieden. Zudem bildete sich nur sehr wenig Wasserstoffperoxid, das sonst die Membranen in Brennstoffzellen empfindlich schädigt.
Bis die neuen Brennstoffzellen Elektroautos oder Laptops stundenlang mit Strom versorgen können, will Zelenay die Lebensdauer und die Leistung noch weiter erhöhen.In weiteren Schritten sollen die einzelnen Zellen zu kompakten Stacks zusammengesetzt werden. Diese könnten dann eine Leistungsdichte erreichen, die zum Antrieb von Elektromotoren ausreicht. Ein weiteres Ziel von Zelenay ist es, auch die Anode in einer Brennstoffzellen aus einem platinfreien Material aufzubauen. Gelingt dies, könnten in Zusammenarbeit mit Industriepartnern günstige Brennstoffzellen in einigen Jahren zur Marktreife gebracht werden.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
Gang Wu et al.: High-Performance Electrocatalysts for Oxygen Reduction Derived from Polyaniline, Iron, and Cobalt. Science, 332, 443 (2011)
dx.doi.org/10.1126/science.1200832 - Materials Physics and Applications Division, Los Alamos National Laboratory
- Oak Ridge National Laboratory
