Langlebige Brennstoffzellen für Wasserstoff-Fahrzeuge

Brennstoffzellen gewinnen als Alternative zur batterie­betriebenen Elektro­mobilität im Schwer­verkehr an Bedeutung, insbesondere da Wasserstoff ein CO2-neutraler Energie­träger ist, wenn er aus erneuer­baren Quellen gewonnen wird. Für eine effiziente Arbeits­weise benötigen Brenn­stoff­zellen einen Elektro­katalysator, der die elektro­chemische Reaktion, bei der der Strom erzeugt wird, verbessert. Die heute standard­mäßig dafür einge­setzten Kataly­satoren aus Platin-Kobalt-Nano­partikeln besitzen gute katalytische Eigen­schaften und benötigen nur so wenig wie nötig an seltenem und teurem Platin. Damit der Katalysator in der Brenn­stoff­zelle eingesetzt werden kann, muss er über eine Oberfläche mit sehr kleinen Platin-Kobalt-Partikeln im Nanometer-Bereich verfügen, die auf ein leitfähiges Träger­material aus Kohlenstoff aufgetragen wird. Da die kleinen Partikel und auch der Kohlenstoff in der Brennstoff­zelle Korrosion ausgesetzt sind, verliert die Zelle mit der Zeit an Effizienz und Stabilität.

Einem internationalen Team unter Leitung von Matthias Arenz von der Uni Bern ist es jetzt gelungen, mittels eines speziellen Verfahrens einen Elektro­katalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der im Gegensatz zu bestehenden Kataly­satoren aus einem dünnen Metall­netzwerk besteht und dadurch lang­lebiger ist. „Der von uns entwickelte Katalysator erreicht eine große Leistungs­fähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoff­zellen­betrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Strom­dichte“, sagt Arenz.

Damit eine Brennstoff­zelle Strom produziert, müssen beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein. Ohne Katalysator würden die chemischen Reaktionen nur sehr langsam ablaufen. Das gilt insbesondere für die Sauerstoff­elektrode. Doch die Platin-Kobalt-Nanopartikel des Katalysators können beim Betrieb in einem Fahrzeug zusammen­schmelzen. Das verringert die Oberfläche des Katalysators und damit die Leistungs­fähigkeit der Zelle. Zudem kann der Kohlenstoff, der üblicher­weise verwendet wird, um den Katalysator zu befestigen, beim Einsatz im Straßen­verkehr korrodieren. Das beeinträchtigt die Lebens­dauer der Brennstoff­zelle und somit des Fahrzeugs.

„Unsere Motivation war es daher, einen Elektro­katalysator ohne Kohlenstoff­träger herzu­stellen, der dennoch leistungs­fähig ist“, erklärt Arenz. Vorherige, ähnliche Kataly­satoren ohne Träger­material verfügten bisher immer nur über eine reduzierte Oberfläche. Weil die Größe der Oberfläche entscheidend ist für die Aktivität des Kataly­sators und somit seine Leistungs­fähigkeit, waren diese für den industri­ellen Einsatz weniger geeignet.

Ihre Idee konnten die Forscher dank eines speziellen Verfahrens, der Kathoden­zerstäubung, in die Tat umsetzen. Bei dieser Methode werden einzelne Atome eines Materials durch Beschuss mit Ionen heraus­gelöst. Die heraus­gelösten Atome kondensieren anschließend als haftende Schicht. „Mit dem speziellen Sputter­verfahren und anschließender Behandlung kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbst­tragend ist. Ein Kohlenstoff­träger ist somit über­flüssig", so Gustav Sievers vom Leibniz-Institut für Plasma­forschung und Technologie.

„Die Technologie ist industriell skalierbar und kann somit auch für größere Produktions­volumen beispiels­weise in der Fahrzeug­industrie eingesetzt werden“, sagt Arenz. Mit dem Verfahren kann die Wasserstoff-Brennstoff­zelle weiter für den Einsatz im Straßen­verkehr optimiert werden. „Unsere Erkennt­nisse sind somit von Bedeutung für die Weiter­entwick­lung von nach­haltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitäts­sektor für den Schwer­verkehr“, so Arenz.

U. Bern / R. Kayser

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• Originalveröffentlichung
  G. W. Sievers et. al.: Self-supported Pt-CoO networks combining high specific activity with high surface area for oxygen reduction, Nat. Materials, online 24. August 2020; DOI: 10.1038/s41563-020-0775-8
• Nano Electro Catalysis (M. Arenz), Dept. für Chemie und Biochemie, Universität Bern, Schweiz
• Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, Greifswald