In Zeiten des steigenden globalen Energiebedarfs und der anhaltenden Klimakrise ist die Entwicklung neuer, nachhaltiger Energiequellen von großer Bedeutung. Eine vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen stellen sogenannte Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien wandeln sie chemischen Brennstoff direkt und kontinuierlich in elektrische Energie um, solange der Brennstoff zugeführt wird. Besonders bekannt in diesem Bereich sind Wasserstoff-Brennstoffzellen. Sie setzen Wasserstoffgas in Strom und Wasser um. Obwohl SOFCs aufgrund ihrer hohen Effizienz und Langlebigkeit ein großes Potenzial besitzen, erfordern sie bisher Betriebstemperaturen von etwa 700 bis 800 Grad Celsius (°C), was dadurch den Einsatz teurer hitzebeständiger Materialien notwendig macht.
Forschende der Kyushu-Universität in Japan haben nun einen entscheidenden Fortschritt erzielt, indem sie eine neuartige SOFCs entwickelten, die bereits bei einer Temperatur von 300 °C funktioniert. Ihre Erkenntnisse könnten den Weg für kostengünstigere Niedertemperatur-SOFCs ebnen und deren praktische Anwendung beschleunigen. Das Herzstück einer SOFC bildet der Elektrolyt, eine Keramikschicht, die geladene Teilchen zwischen zwei Elektroden transportiert. In Wasserstoff-Brennstoffzellen sind es Protonen (Wasserstoffionen), die durch den Elektrolyten wandern und dabei Energie erzeugen. Allerdings erfordert dieser Prozess hohe Temperaturen, um effizient abzulaufen.
Elektrolyte senken Betriebstemperatur von Brennstoffzellen
Yoshihiro Yamazaki, Leiter der Studie an der Plattform für inter-/transdisziplinäre Energieforschung der Kyushu-Universität, betont die Bedeutung einer Senkung der Betriebstemperatur auf 300 °C. Dies würde einerseits die Materialkosten erheblich reduzieren und andererseits den Einsatz von SOFCs auf Verbraucherebene ermöglichen. Bisher war der Forschung jedoch kein Keramikmaterial bekannt, das unter diesen moderaten Bedingungen einen ausreichend schnellen Protonentransport gewährleisten konnte.
Die Forschenden machten es sich daher zur Aufgabe, diesen Engpass zu überwinden. Elektrolyte bestehen aus verschiedenen Atomkombinationen in einer Kristallgitterstruktur, durch die sich Protonen bewegen. Um die Geschwindigkeit dieses Transports zu verbessern, untersuchte das Team unterschiedliche Materialkombinationen und chemische Dotierstoffe, die die physikalischen Eigenschaften des Elektrolyten beeinflussen können.
Brennstoffzelle: Es kommt auf das Gleichgewicht an
Doch bei der Zugabe von Dotierstoffen ist wiederum etwas zu beachten, wie Yamazaki erläutert. Auf der einen Seite kann dadurch die Anzahl der beweglichen Protonen im Elektrolyten erhöht werden, auf der anderen Seite führt dies oft zu einer Verstopfung des Kristallgitters und damit zu einer Verlangsamung der Protonen. Genau diesen Effekt wollte man eben nicht erreichen.
Das Forscherteam suchte daher nach Oxidkristallen, die eine hohe Protonenaufnahme mit einer freien Beweglichkeit der Teilchen verbinden – ein Gleichgewicht, das sie mit ihrer neuen Studie gefunden haben. Sie entdeckten, dass die Verbindungen Bariumstannat (BaSnO3) und Bariumtitanat (BaTiO3) bei Dotierung mit hohen Konzentrationen von Scandium (Sc) die SOFC-Benchmark-Protonenleitfähigkeit von mehr als 0,01 S/cm bei 300 °C erreichen können. Dieser Wert ist vergleichbar mit den Leitfähigkeiten gängiger SOFC-Elektrolyte bei 600 bis 700 °C.
Protonentransport in Brennstoffzellen beschleunigen
Yamazaki erklärt, dass Strukturanalysen und molekulardynamische Simulationen zeigten, wie die Sc-Atome ihre umgebenden Sauerstoffatome zu einer „ScO6-Autobahn“ verbinden. Auf dieser können Protonen mit einer ungewöhnlich niedrigen Migrationsbarriere wandern. Der so geschaffene Transportweg ist nicht nur breit, sondern auch weich vibrierend, wodurch ein Einfangen der Protonen verhindert wird. Genau dieses Problem tritt aber normalerweise bei stark dotierten Oxiden auf. Zusätzlich ergaben Gitterdynamikdaten, dass BaSnO3 und BaTiO3 von Natur aus „weicher“ sind als herkömmliche SOFC-Materialien. Dadurch können sie mehr Scandium aufnehmen als bisher angenommen. Diese Ergebnisse widerlegen den bisherigen Kompromiss zwischen Dotierungsgrad und Ionentransport.
Die Anwendungsmöglichkeiten der von den Forschenden entdeckten Prinzipien gehen über den Einsatz in Brennstoffzellen hinaus. Sie lassen sich ihrer Ansicht nach durchaus auch auf andere Technologien übertragen, beispielsweise Niedertemperatur-Elektrolyse, Wasserstoffpumpen und Reaktoren, die CO3 in wertvolle Chemikalien umwandeln. Auf diese Art und Weise könnte die Wirkung der Dekarbonisierung vervielfacht werden. „Unsere Arbeit verwandelt ein seit langem bestehendes wissenschaftliches Paradoxon in eine praktische Lösung und bringt erschwingliche Wasserstoffenergie näher an den Alltag heran“, fasst Yamazaki zusammen.
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