E-Autos mit Wasserstoffantrieb 08.10.2019, 07:00 Uhr

Effizientere Brennstoffzellen dank neuer Katalysatormaterialien

Ein neues Trägermaterial für den Katalysator Platin könnte die Kosten senken und trotzdem eine hohe Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen in E-Autos gewährleisten. Wissenschaftler der TU Berlin haben diese Entwicklung gemeinsam mit BMW vorgestellt.

Mit Wasserstoff tanken

Das Betanken eines Fahrzeuges mit Wasserstoff ist einfach. Die Kosten für diese Technologie sind allerdings noch zu hoch, um wirklich marktfähig zu sein.

Foto: panthermedia.net/elmar

Kaum ein Experte bezweifelt derzeit, dass die Zeit für Verbrennermotoren abläuft. Die Frage ist nur, wie lange es dauert, effiziente Alternativen auf dem Markt zu etablieren. Denn Elektroautos werden nur langsam von der Bevölkerung angenommen. Einer der Hauptgründe dafür ist die sogenannte Reichweiten-Angst – die Fahrer befürchten, die gewünschte Strecke mit einer Akku-Ladung nicht bewältigen zu können. Die bundesweite Ladeinfrastruktur ist derzeit aber noch nicht flächendeckend in einem ausreichenden Maße ausgebaut. Außerdem kostet der Ladevorgang Zeit. Diese Kombination könnte umso problematischer werden, falls die Zahl der E-Autos auf den Straßen deutlich schneller zunehmen sollte als das Angebot an Ladepunkten. Lange Schlangen vor den Strom-Tankstellen könnten die Folge sein.

Wasserstoff als alternative Energiequelle für Elektroautos wäre eine Möglichkeit, diese Herausforderungen zu lösen. Denn er lässt sich in flüssiger Form genauso schnell tanken wie die bislang genutzten Kraftstoffe Benzin und Diesel. Der eigentliche Strom wird erst an Bord produziert. Bei seiner Verwertung entstehen als „Abfallprodukte“ jedoch nur Wasser und Wärme. Wasserstoff-Technologie ist also umweltfreundlich und praktisch. Allerdings bringt sie auch einige Probleme mit sich, die von der Forschung noch nicht gelöst sind. Eines davon ist ohne Frage der Preis – sowohl für die Herstellung des Wasserstoffs als auch für die Katalysator-Technik, die im Elektroauto für den Strom sorgt. Ein Forscherteam der Technischen Universität (TU) Berlin hat nun, gemeinsam mit Ingenieuren von BMW, ein neues Trägermaterial für den Katalysator Platin vorgestellt. Damit könnten die Herstellungskosten der Fahrzeuge sinken.

Herausforderung: Platin-Gehalt des Katalysators verringern

Wasserstoff könnte sich zu einer wichtigen Energiequelle für die Zukunft entwickeln. Denn das Ausgangsmaterial Wasser ist praktisch unendlich verfügbar. Durch Energiezufuhr wird es bei der Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Brennstoffzellen machen diesen Vorgang, vereinfacht gesagt, wieder rückgängig – bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff wird elektrische Energie freigesetzt. Beide Vorgänge sind aber nur effizient, wenn Katalysatoren die Vorgänge unterstützen. Ein wesentlicher Bestandteil der meisten Katalysatoren ist jedoch das sehr teure Edelmetall Platin. Zwar gibt es bereits Bestrebungen, Katalysatoren ohne Platin herzustellen. Ausgereift sind diese Alternativen jedoch noch nicht.

Der Platingehalt in einer Brennstoffzelle lässt sich normalerweise auch nicht einfach senken, weil dann die elektrische Leistung abnimmt. Das Team um Peter Strasser, Professor im Fachgebiet Elektrokatalyse und Materialien an der TU Berlin, ist es trotzdem gelungen, die benötigte Platin-Menge herabzusetzen. Dafür haben sie ein neues Trägermaterial für das Platin designt.

Chemisch verändertes Trägermaterial erleichtert Platin-Verteilung

Die Wissenschaftler standen einem praktischen Problem gegenüber: Die Nanopartikel des Platins müssen extrem gleichmäßig auf der Kohlenstoffträgersubstanz verteilt sein. Dafür verwendet man einen sogenannten Ionomer. Das ist ein Kunststoff, der die Wasserstoff-Ionen (Protonen) leitet. Bei einer geringeren Dichte an Platin-Nanopartikeln muss dieser Ionomer noch perfekter aufgebracht werden, weil sonst im Grunde genommen Lücken entstehen, und die Leistungsfähigkeit des Katalysators nimmt ab.

„In der jetzt veröffentlichten Arbeit beschreiben wir die Herstellung eines neuartigen, chemisch veränderten Kohlenstoffträgermaterials mit maßgeschneiderten Oberflächeneigenschaften. Dadurch ist es uns gelungen, eine bisher unerreicht gleichmäßige Verteilung des Ionomers auf diesem Trägermaterial zu erzielen. So erreichen wir hohe Leistungsdichten bei geringem Platineinsatz“, sagt Strasser. Die neue Oberflächenstruktur führt also dazu, dass die gleichmäßige Verteilung des Platins erleichtert werde, was größere Abstände zwischen den einzelnen Nanopartikeln ermögliche. Nach Strassers Schätzungen sei es so möglich, den Platin-Einsatz um mindestens 50 % zu senken. Strasser weiter: „Das Besondere an unserem Ansatz: Wir haben direkt mit einer autogerechten Brennstoffzelle gearbeitet, sodass unsere Ergebnisse die Chance haben, unmittelbar in die nächsten Generationen des Brennstoffzellen-Autos einzufließen.“

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