Autos & LKWs

Haltbare Brennstoffzellen für Wasserstoffantriebe entwickelt

Robert Klatt

Der neue Katalysator verzichtet auf einen Kohlenstoffträger. Dies verhindert die Oxidation und erhält somit langfristig die Leistungsfähigkeit des Systems, das zum Beispiel in Elektroautos eingesetzt werden könnte.

Bern (Schweiz). Brennstoffzellen haben im Vergleich zu elektrischen Antrieben mit Akku eine höhere Reichweite und ein geringeres Gewicht. Außerdem kann ihr Treibstoff Wasserstoff, aus dem Katalysatoren an den Elektroden in einer Reaktion mit Sauerstoff Energie erzeugen, in wenigen Minuten nachgetankt werden.

Aktuelle Katalysatoren, die an der Sauerstoffelektrode aus Platin-Kobalt-Partikeln auf einem Kohlenstoffträger bestehen, korrodieren allerdings und verlieren somit ihre Leistungsfähigkeit, weil Partikel verschmelzen und dies die Oberfläche des Katalysators verkleinert. Wissenschaftler der Universität Bern um Matthias Arenz haben deshalb versucht, einen leistungsstarken Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen.

Poröse Struktur aus Katalysator-Partikeln

Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Kopenhagen haben sie deshalb laut einer Publikation im Fachmagazin Nature Materials eine neue Struktur entwickelt, die aus einem porösen Netzwerk aus Katalysator-Partikeln besteht. Laut Studienautor Gustav Sievers „umgeht dies die Korrosionsprobleme der gängigen kohlenstoffbasierten Katalysatoren.“

Hergestellt wurde die Struktur mithilfe des Verfahrens der Kathodenzerstäubung. Es werden dabei gasförmige Kobalt- und Platinatome in einzelnen Schichten auf eine Unterlage aufgebracht. Diese bilden beim Kondensieren an der Luft anschließend ein poröses Netzwerk aus Platin und Kobaltoxid, das selbsttragend ist und daher keinen Kohlenstoffträger benötigt.

Industrielle Anwendung möglich

Erstautor Gustav Sievers erklärt, dass „mit dem speziellen Sputterverfahren und anschließender Behandlung eine sehr poröse Struktur erreicht werden kann, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist.“ Laut Arenz „ist diese Technologie industriell skalierbar und kann somit auch für größere Produktionsvolumen beispielweise in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden.“

15 Prozent Oberflächenverlust nach 800 Zyklen

In einer Brennstoffzelle hat der neue Katalysator bei einer für Autos typischen Start-Stopp-Nutzung nach 800 Ladezyklen 15 Prozent seiner Oberfläche verloren. Ein herkömmlicher Platin-Kobalt-Katalysator verlor während des Experiments bei gleicher Nutzung 53 Prozent seiner ehemaligen Oberfläche.

Laut Arenz „erreicht der neue Katalysator somit eine große Leistungsfähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Stromdichte.“ Die Wissenschaftler konstatieren deshalb, dass „ihre Studienergebnisse von Bedeutung für die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitätssektor für den Schwerverkehr ist.“

Nature Materials, doi: 10.1038/s41563-020-0775-8

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