24.08.2020 • Energie

Langlebige Brennstoffzellen für Wasserstoff-Fahrzeuge

Neuer Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen kommt ohne Kohlenstoffträger aus und ist dadurch stabiler.

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.

Abb.: Der neue Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen besteht aus...
Abb.: Der neue Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen besteht aus einem dünnen Platin-Kobaltlegierungsnetzwerk und kommt im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren ohne Kohlenstoffträger aus. (Bild: G. Sievers, U. Bern)

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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