Der teuerste Fehler der Brennstoffzelle heißt Platin
Platin treibt die Kosten von Brennstoffzellen massiv nach oben. Forschende zeigen, wie Eisenkatalysatoren den Durchbruch ermöglichen könnten.
Platin treibt die Kosten von Brennstoffzellenfahrzeugen massiv nach oben. Forschende der Washington University zeigen, wie stabile Eisenkatalysatoren das ändern könnten.
Foto: Smarterpix / Fahroni
Wasserstoff gilt seit Jahren als Hoffnungsträger der Energiewende. Japan und Kalifornien setzen bereits auf Brennstoffzellenfahrzeuge, erste Flotten rollen im Alltag. Technisch funktioniert das System. Wirtschaftlich hakt es. Der Engpass trägt einen Namen: Platin.
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Ein Edelmetall bremst die Energiewende
Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in Strom, Wärme und Wasser um. Lokal entstehen keine Emissionen. Der Wirkungsgrad ist hoch. Doch im Inneren der Zellen steckt ein Problem. Der Katalysator, der die Reaktion überhaupt erst möglich macht, besteht meist aus Platin. Und dieses Edelmetall ist knapp, teuer und preissensibel.
„Die Wasserstoff-Brennstoffzelle wurde in Japan und Kalifornien in den USA erfolgreich kommerzialisiert“, sagt Gang Wu, Professor an der Washington University in St. Louis. „Aber diese Fahrzeuge haben Schwierigkeiten, mit Batteriefahrzeugen und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu konkurrieren, wobei die Kosten das Hauptproblem sind.“
Die Zahlen zeigen, wie groß das Hindernis ist. Ein Fahrzeug, das mit Verbrennungsmotor rund 30.000 Dollar kostet, liegt als Brennstoffzellenauto bei etwa 70.000 Dollar. Rund 45 % der Kosten des Brennstoffzellenstapels entfallen auf Platin-Katalysatoren. Anders als Batterierohstoffe lassen sich diese Kosten kaum durch Massenproduktion drücken. Steigt die Nachfrage, steigt oft auch der Preis.
Effizient, aber teuer
Dabei sprechen die physikalischen Fakten klar für die Technologie. Nach Angaben des Environmental and Energy Study Institute nutzen Brennstoffzellen mehr als 60 % der im Wasserstoff enthaltenen Energie. Verbrennungsmotoren kommen auf unter 20 %. Wird zusätzlich die Abwärme genutzt, sind Wirkungsgrade von bis zu 85 % möglich.
Trotzdem bleibt der Marktdurchbruch aus. Neben der noch dünnen Tankinfrastruktur ist der Materialeinsatz der zentrale Kostentreiber. Genau hier setzt die aktuelle Forschung an.
Eisen statt Edelmetall
Ein Team um Gang Wu arbeitet daran, Platin durch Eisen zu ersetzen. Eisen ist billig, weltweit verfügbar und chemisch aktiv genug. Das Problem: Es ist in der aggressiven Umgebung einer Brennstoffzelle instabil. Hitze, Feuchtigkeit und Sauerstoff setzen dem Material zu. Bisher scheiterte der Einsatz an zu kurzer Lebensdauer.
In einer Studie in Nature Catalysis beschreibt das Team nun einen Ausweg. Die Forschenden stabilisieren Eisenkatalysatoren während der thermischen Aktivierung mit einem gezielt eingesetzten chemischen Gasdampf. Dieser Prozess schützt die aktiven Zentren des Eisens, ohne die katalytische Aktivität zu verlieren.
Das Ergebnis: deutlich höhere Haltbarkeit, höhere Energiedichte und längere Lebensdauer. Zum Einsatz kamen sogenannte Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, kurz PEMFCs. Diese Bauart eignet sich besonders für schwere Fahrzeuge.
Warum der Einstieg über Lkw sinnvoll ist
Schwere Nutzfahrzeuge fahren feste Routen und tanken zentral. Busse, Transport-Lkw oder Baumaschinen brauchen keine flächendeckende Infrastruktur. Genau deshalb halten die Forschenden diesen Markt für den sinnvollsten Einstieg.
Skalierung würde hier tatsächlich greifen. Größere Stückzahlen senken Produktionskosten. Günstigere Katalysatoren senken den Fahrzeugpreis. Erst danach wird der Weg frei für breitere Anwendungen.
„Nachdem wir jahrzehntelang unter der schlechten Stabilität gelitten haben, konnten wir nun dieses kritische Problem lösen“, sagt Wu. Der nächste Schritt sei die weitere Optimierung, um Eisenkatalysatoren langfristig leistungsfähiger als Edelmetalle zu machen.
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