Langlebige Brennstoffzellen

Kleine Gold-Cluster stabilisieren die bei Brennstoffzellen notwendigen Platin-Eelktroden und erhöhen damit deren Lebensdauer.

Upton (USA) – Elektromotoren und Brennstoffzellen leisten in ersten Autos und Bussen bereits gute Dienste. Zahlreiche Hersteller wie DaimlerChrysler oder Honda führen Langzeittest mit kleinen Fahrzeugflotten durch. Doch vor einer möglichen Markteinführung müssen nicht nur die Kosten gesenkt werden. Auch die dauerhafte Stabilität der Strom spendenden Zellen ohne Leistungsabfall ist zu gewährleisten. Auf diesem Weg fanden amerikanische Wissenschaftler nun heraus, dass kleine Gold-Cluster die Zuverlässigkeit der notwendigen Platin-Eelektroden weiter erhöhen können. Über ihre Versuche berichten sie in der Zeitschrift „Science“.

„Jüngst haben Studien gezeigt, dass die Platin-Bereiche in Polymermembran-Zellen durch das Stoppen und Anfahren der Elektroautos mit der Zeit substanzielle Verluste haben", schreiben Junliang Zhang und seine Kollegen vom Brookhaven National Laboratory in Upton. In diesen Polymermembran-Zellen (PEM) läuft an der Platin-Kathode die Reduktion von Sauerstoff mit Wasserstoff-Ionen zu Wasser ab. Wird dieser Prozess mehrere Tausend mal wiederholt, können sich Platin-Partikel lösen und die Kathode nimmt langfristig Schaden. Dagegen helfen eingelagerte Gold-Cluster in der Platin-Elektrode. In seinen Testläufen konnte Zhang einen stabilisierenden Effekt trotz Dauerbetriebs der Brennstoffzelle zeigen.

Mit galvanischen Methoden deponierten die Forscher zwei bis drei Nanometer kleine Goldkügelchen auf der Platinoberfläche. Insgesamt wurde diese Fläche zu 30 bis 40 Prozent mit den Gold-Clustern abgedeckt. Nach 30.000 Reaktionszyklen verglichen sie die Leistung dieser Brennstoffzelle mit einem Modul, in dem eine herkömmliche Platin-Kathode eingebaut worden war. Der Spannungsverlust bewegte sich gerade bei fünf Millivolt im Vergleich zu 39 Millivolt. Zusätzlich analysierten sie die Elektroden-Oberflächen voltametrisch über das Andockverhalten von Wasserstoff. Die resultieren Strom-Spannungskurven bestätigten, dass die Gold-behandelte Oberfläche keine Schäden aufwies, und die reine Platinelektrode dagegen nur noch zu etwa 55 Prozent katalytisch aktiv war.

Überraschend war für die Forscher die unverändert hohe Reaktionsaktivität der Elektrode mit Gold-Clustern. Denn eigentlich ist Gold kein geeigneter Katalysator für die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser. Doch scheint dies nur für Gold-Festkörper und nicht die Nanometer kleinen Cluster zu gelten. Zudem schlagen Zhang und Kollegen als unterstützenden Prozess eine Zwei-Elektronen Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid (H ₂O ₂) vor. Die größere Stabilität der Elektrodenoberfläche führen sie auf ein höheres Oxidationspotenzial für Platin in Gegenwart der Gold-Cluster zurück. Vergleichende Röntgenabsorbtionsmessungen (XANES - x-ray absorption near edge spectroscopy ) zeigten dafür klare Anzeichen.

Diese Ergebnisse haben das Potenzial, die Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen signifikant zu steigern. Eine Alternative für das teure Edelmetall fanden jüngst Forscher vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Sie verwendeten die Metall-Verbindung Kobalt-Polypyrrol, die mit einem Bruchteil des Platin-Preises zu Buche schlägt. Auch dieser Katalysator unterstützt die Reaktion von Sauerstoff mit den Protonen aus dem Wasserstoff zu dem „Verbrennungsprodukt“ Wasser. Erste Module lieferten zwar nur 150 Milliwatt Strom pro Quadratzentimeter, aber mit einer Verdopplung dieser Werte wäre ein technischer Einsatz schon denkbar. Von Vorteil zeigte sich die Stabilität der Zelle: Auch nach 100 Betriebsstunden konnten die Forscher keinen Leistungsabfall feststellen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalarbeiten:
  J. Zhang et al., Stabilization of Platinum Oxygen-Reduction Electrocatalysts Using Gold Clusters, Science 315, 220 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1134569
  Rajesh Bashyam & Piotr Zelenay, A class of non-precious metal composite catalysts for fuel cells, Nature 443, 63 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05118
• Brookhaven National Laboratory:
  http://www.bnl.gov
• Department of Chemistry:
  http://www.bnl.gov/chemistry
• Los Alamos National Laboratory:
  http://www.lanl.gov
• Arbeitsgruppe Brennstoffzelle, LANL:
  http://www.lanl.gov/mst/mst11/fuelcell.htm

Weitere Literatur:

• Y. Iizuka et al., Catal. Today 36, 115 (1997).
• M. Comotti, W. C. Li, B. Spliethoff, F. Schuth, J. Am. Chem. Soc. 128, 917 (2006).
• B. Hammer, Top. Catal. 37, 3 (2006).
• B. K. Min, W. T. Wallace, D. W. Goodman, Surf. Sci. 600, L7 (2006).
• B. Hammer, J. K. Nørskov, in: Advances in Catalysis 45, 71–129 (Elsevier, Amsterdam, 2000).