Effizienz der Wasserstoffautos 04.06.2015, 10:30 Uhr

Toyota gelingt Durchbruch bei Brennstoffzellen

Toyota ist ein Durchbruch in der Brennstoffzellenforschung gelungen: Der japanische Autohersteller hat herausgefunden, warum Platinkatalysatoren mit der Zeit an Leistung einbüßen. Diese Erkenntnis soll zu günstigeren Wasserstoffautos führen. 

Der Toyota Mirai (FCV): Das Auto tankt Wasserstoff, aus dem Auspuff tropft lediglich harmloser Wasserdampf. Bisherige Schwachstelle ist die Reaktionsfähigkeit des Platinkatalysators. 

Der Toyota Mirai (FCV): Das Auto tankt Wasserstoff, aus dem Auspuff tropft lediglich harmloser Wasserdampf. Bisherige Schwachstelle ist die Reaktionsfähigkeit des Platinkatalysators. 

Foto: Toyota

Die Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle, die auf einer chemischen Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff beruht, ist nur mithilfe stabilisierender edelmetallhaltiger Katalysatoren, meistens aus dem Edelmetall Platin, möglich. Ohne Letztere würden Wasserstoff und Sauerstoff nicht miteinander reagieren. Derzeit sind immerhin noch etwa 30 g Platin notwendig, um eine Brennstoffzelle zum normalen Arbeiten zu bringen.

Ein Forschungsteam von Toyota und Japan Fine Ceramics Center (JFCC) in Nagoya hat nun eine Beobachtungstechnik entwickelt, mit der es möglich ist, das Verhalten nanometerdicker Platinpartikel bei chemischen Reaktionen in Brennstoffzellen zu überwachen. Die japanischen Forscher haben dabei erstmals Antworten auf die Frage erhalten, warum Brennstoffzellen mit der Zeit kontinuierlich an Leistung einbüßen. Es liegt an der verringerten Reaktionsfähigkeit des Platins, die dadurch entsteht, dass sich einzelne Platin-Nano-Teilchen zu immer größeren Strukturen verbinden. Die chemisch wirksame Oberfläche wird dadurch mit der Zeit immer kleiner.

Brennstoffzellenpartikel unter der Lupe

Bislang war es nur möglich, diese sogenannte Vergröberung der Platin-Nanoteilchen durch einen Vorher-Nachher-Vergleich festzustellen. Es gab aber keine Einblicke in den Prozess selbst, der zu dieser Vergröberung führte. Toyota konnte deswegen bislang lediglich Vermutungen zu den Ursachen anstellen. Das neue Beobachtungsverfahren bringt nun eine ganze Reihe von Neuerungen und Erleichterungen in der Forschungsarbeit mit sich.

Nanometerdicke Platinpartikel bei 64-facher Vergrößerung: Mit der Zeit nähern sich die Partikel einander an und verklumpen schließlich. Das verringert ihre Reaktionsfähigkeit. 

Nanometerdicke Platinpartikel bei 64-facher Vergrößerung: Mit der Zeit nähern sich die Partikel einander an und verklumpen schließlich. Das verringert ihre Reaktionsfähigkeit. 

Foto: Toyota

Herzstück der Methode ist eine einsehbare Probe, die das exakte Umfeld und die Bedingungen in der Brennstoffzelle simuliert. Damit wird es möglich, Punkte auf dem Karbonträgermaterial zu entdecken, an denen sich das Platin zusammenschließt. Außerdem lässt sich die Stromabgabe während des Vergröberungsprozesses in Echtzeit feststellen.

Mehrere Platinpartikel haben sich miteinander verbunden: Das senkt die chemisch wirksame Oberfläche. 

Mehrere Platinpartikel haben sich miteinander verbunden: Das senkt die chemisch wirksame Oberfläche. 

Foto: Toyota

Die neue Technik kann auch dazu beitragen, unterschiedliche Eigenschaften verschiedener Trägermaterialien zu analysieren.

Wasserstoffautos könnten günstiger werden

Der jüngste Forschungsdurchbruch ist vor allem deshalb von großer Bedeutung, weil das Edelmetall Platin so selten und teuer ist. Von einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Katalysatormaterials verspricht sich Toyota entscheidende Fortschritte für die Wirtschafltichkeit von Autos, die Wasserstoff als Treibstoff nutzen. Auf die Frage nach einer prozentualen Steigerung der Wirtschaftlichkeit gibt Toyota bisher noch keine Antwort.

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