Brennstoffzellen: Langlebiger Katalysator mit Nanopartikeln
Als Alternative zur Elektromobilität gewinnen Brennstoffzellen an Bedeutung. Ihre Lebensdauer ist begrenzt, da die Katalysatoren schnell korrodieren. Speziell geschichtete Nanopartikel umgehen diese Nachteile.
Der neuartige Katalysator besteht aus einer Hülle von Platin-Atomen. Im Inneren sind Platin- und Cobalt-Atome speziell geschichtet. Das erhöht die Leistung und macht den Katalysator langlebiger.
Foto: Sun lab/Brown University
Brennstoffzellen nutzen verschiedene Redoxreaktionen aus, um elektrische Energie zu gewinnen. Der Energieträger, etwa Wasserstoff, wird oxidiert und Sauerstoff reduziert. Dabei fließen Elektronen. Platinmetalle katalysieren, sprich beschleunigen und erleichtern die Reduktion, ansonsten wäre die Energiebarriere zu hoch. Sie machen die Zellen jedoch teuer. Mobile Systeme mit Phosphorsäure als Elektrolytlösung erreichen etwa 5.000 Betriebsstunden, ihre Lebensdauer ist stark begrenzt. Wissenschaftler der Brown University in Providence, Rhode Island, umgehen diese Nachteile mit speziell aufgebauten Nanopartikeln aus mehreren Schichten.
Korrosion war gestern
Aus früheren Experimenten wussten die Forscher bereits, dass sich Legierungen besser als reines Platin eignen, nicht zuletzt aus ökonomischen Gründen. Der Bedarf an teuren Edelmetallen ist niedriger. Unter den Bedingungen, wie sie in Brennstoffzellen herrschen, werden weniger edle Legierungsbestandteile jedoch schnell ausgewaschen. Phosphorsäurebrennstoffzellen arbeiten bei 135 bis 200 °C. Der Elektrolyt ist extrem korrosiv. Außerdem werden Katalysatoren schnell „vergiftet“, also inaktiviert.
Jetzt entwickelten die Wissenschaftler Nanopartikel mit einer speziellen Struktur. Ihre Partikel haben eine Platin-Außenhülle. Im Kern befinden sich Schichten aus Platin und Cobalt, die einander abwechseln. Shouheng Sun, Chemieprofessor an der Brown University, bewertet den Aufbau als „Schlüssel zur Reaktivität und Haltbarkeit des Katalysators“. Durch die Anordnung würden Platinatome auf der Oberfläche reaktiver, und Cobaltatome im Inneren geschützt.
Erste Tests im Labor
Nach dem erfolgreichen Abschluss ihrer metallurgischen Arbeiten untersuchten die Forscher die Fähigkeit des Katalysators, Sauerstoff zu reduzieren. Die Reaktion bestimmt, wie langlebig ein Katalysator ist. Tests im Labor bestätigten alle Erwartungen. Der neue Katalysator war selbst nach 30.000 Spannungszyklen noch aktiv, was 5 Jahren in einem Auto mit Brennstoffzelle entspricht. Ein herkömmlicher Katalysator für Brennstoffzellen zeigte deutlich schlechtere Ergebnisse; Leistungsdaten brachen nach 30.000 Zyklen ein. Die Labortests sind ein wichtiger Hinweis, entsprechen aber nur teilweise der Realität. Die Temperatur ist in handelsüblichen Geräten höher, und die Metalle korrodieren daher noch schneller.
Katalysator übertrifft Forderungen der US-Energiebehörde
Deshalb schickte Sun seinen Katalysator für weitere Untersuchungen an das Los Alamos National Laboratory (LANL). Ingenieure der US-Energiebehörde bauten die neue Legierung in handelsübliche Brennstoffzellen ein und führten Belastungstests durch. Diese Phase ist Sun zufolge wichtig, da er auf schnelle Einsatzmöglichkeiten in Autos hofft.
Ihre Ergebnisse übertrafen die Forderungen des United States Department of Energy (DOE), also des amerikanischen Energieministeriums. Laut DOE sollen bis 2020 alle Katalysatoren in Brennstoffzellen in neuwertigem Zustand auf mindestens 0,44 Ampere pro Milligramm Platin kommen. Nach 30.000 Spannungszyklen, sprich 5 Jahren im Fahrzeug, fordert das DOE mindestens 0,26 Ampere pro Milligramm. Die neue Legierung lag zu Beginn der Stromentnahme bei 0,56 Ampere pro Milligramm und nach 30.000 Spannungszyklen bei 0,45 Ampere pro Milligramm.
„Selbst nach dieser Zeit hat unser Katalysator das DOE-Ziel für die Aktivität noch übertroffen“, sagt Sun. „Diese Art von Leistung in einer realen Brennstoffzelle ist wirklich vielversprechend.“ Er will die Arbeiten am Katalysator fortsetzen und hat bereits ein Patent beantragt. Der entsprechende Markt ist vorhanden. Kurzlebige Katalysatoren zählen neben Fragen zum sicheren Transport von Wasserstoff oder anderen Gasen zu den größten Herausforderungen mobiler Brennstoffzellen.
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