Brennstoffzellen für Wasserstoff-Fahrzeuge werden langlebiger

Wasserstofffahrzeuge sind ein seltener Anblick. Das liegt zum Teil daran, weil Fahrzeuge mit Brennstoffzellen eine große Menge Platin benötigen – etwa 50 Gramm. Tatsächlich werden jährlich nur etwa 100 Tonnen Platin abgebaut, Marktwert etwa 2,5 Milliarden Euro. Das würde für etwa zwei Millionen Fahrzeuge reichen – wenn keine andere Industrie dieses Material benötigen würde.

Gemeinsam ist es Forschern der Universitäten Bern und Kopenhagen gelungen, einen Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen zu entwickeln, der mit deutlich weniger Platin auskommt. Gleichzeitig und im Gegensatz zu heute üblichen Katalysatoren verzichtet der neue Katalysator auf ein Trägermaterial aus Kohlenstoff. Die Neuerungen ermöglichen mehr Leistung pro Gramm Platin und eine höhere Haltbarkeit.

Verzicht auf Kohlenstoff-Träger erhöht die Haltbarkeit

Brennstoffzellen gewinnen als Alternative zur batteriebetriebenen Elektromobilität an Bedeutung. Insbesondere im Güter- und Schwerverkehr und sofern Wasserstoff CO₂-neutral gewonnen wird. Für eine effiziente Arbeitsweise benötigen Brennstoffzellen einen Elektrokatalysator, der die Reaktion und damit die Energieumwandlung beschleunigt.

Die heute standardmäßig eingesetzten Katalysatoren basieren auf Platin-Kobalt-Nanopartikeln. Damit diese in der Brennstoffzelle eingesetzt werden können, werden sie auf ein leitfähiges Trägermaterial aus Kohlenstoff aufgetragen. Sowohl Nanopartikel als auch Trägermaterial sind in der Brennstoffzelle Korrosion ausgesetzt. Dadurch verliert die Zelle mit der Zeit an Effizienz und Stabilität.

„Wir haben einen Katalysator entwickelt, der im Labor nur einen Bruchteil der Platinmenge benötigt, die heutige Wasserstoff-Brennstoffzellen für Autos verbrauchen. Wir nähern uns der gleichen Menge Platin, wie sie für ein konventionelles Fahrzeug benötigt wird“, erklärt Prof. Matthias Arenz. Weiter sagte der sowohl in Kopenhagen als auch Bern lehrende Chemiker: Der neue Katalysator „erreicht eine große Leistungsfähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Stromdichte.“

Unmöglich: „Fahrzeuge der Welt über Nacht durch Wasserstoffmodelle zu ersetzen“ – bisher

In ihrer Veröffentlichung im Fachjournal „Nature Materials“ beschreiben die Forscher nicht nur den Aufbau, sondern auch ein massentaugliches Produktionsverfahren. So entstand der neue Katalysator dank eines speziellen Verfahrens, der Kathodenzerstäubung, dem sogenannten „Sputtern“. Bei dieser Methode werden einzelne Atome eines Materials (hier Platin und Kobalt) durch Beschuss mit Ionen herausgelöst. Die herausgelösten Atome bilden anschließend eine extrem feine Schicht.

„Mit dem speziellen Sputterverfahren […] kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist. Ein Kohlenstoffträger ist somit überflüssig“, erklärte Dr. Gustav Sievers, vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie. Ein weiterer Vorteil ist, dass diese industriell skalierbar ist und „somit auch für größere Produktionsvolumen [wie] in der Fahrzeugindustrie“ taugt.

Aufgrund der bisherigen Beschränkung sei es unmöglich, „die Fahrzeuge der Welt einfach über Nacht durch Wasserstoffmodelle zu ersetzen“, so die Forscher. „Der neue Katalysator kann es ermöglichen, Wasserstoff-Fahrzeuge in einem weitaus größeren Maßstab auf den Markt zu bringen“, sagte Prof. Jan Rossmeisl von der Uni Kopenhagen. Sein Kollege Prof. Arenz fügte hinzu:

Wir sind in Gesprächen mit der Automobilindustrie darüber, wie [die Technik] umgesetzt werden kann. Es sieht also recht vielversprechend aus.“

Brennstoffzellen: Stromgewinnung ohne Verbrennung

Wasserstoff-Brennstoffzellen wandeln chemische Energie aus Wasserstoff in elektrischen Strom um. Dafür wird Wasserstoff einer Elektrode zugeführt, wo er in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen aufgespalten wird. Die Elektronen fließen über die Elektrode ab und erzeugen außerhalb der Zelle elektrischen Strom, der beispielsweise einen Fahrzeugmotor antreibt.

Die Protonen durchqueren indes eine Membran, die nur für Protonen durchlässig ist, und reagieren auf der anderen Seite an einer zweiten, mit einem Katalysator (hier aus einer Platin-Kobaltlegierung) beschichteten, Elektrode mit Sauerstoff aus der Luft. Der dabei entstehende Wasserdampf wird über den „Auspuff“ abgeführt. Statt Wasserstoff können auch andere Energieträger – beispielsweise Methanol – verwendet werden. Das Wirkprinzip bleibt dasselbe.

Damit Brennstoffzellen Strom umwandeln, müssen beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein. Ohne Katalysator würden die chemischen Reaktionen nur sehr langsam ablaufen. Dies gilt insbesondere für die zweite, die Sauerstoffelektrode. Doch die Platin-Kobalt-Nanopartikel des Katalysators können beim Betrieb in einem Fahrzeug „zusammenschmelzen“. Dies verringert die Oberfläche des Katalysators und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle.

Da nur die Oberfläche eines Katalysators aktiv ist, muss diese möglichst groß sein. Außerdem muss ein Katalysator langlebig sein. Doch hier liegt (lag) der Konflikt. Um möglichst viel Oberfläche zu gewinnen, basieren die heutigen Katalysatoren auf einer Kohlenstoff-Struktur mit Platin-Nano-Partikeln. Leider macht Kohlenstoff die Katalysatoren instabil.

Der neue Katalysator zeichnet sich dadurch aus, dass er kohlenstofffrei ist. Anstelle von Nanopartikeln haben die Forscher ein Netzwerk von Nanodrähten entwickelt, die sich durch eine große Oberfläche und verbesserte Haltbarkeit auszeichnen.

(Mit Material der Universitäten Bern, Schweiz und Kopenhagen, Dänemark)