Neue Katalysator-Technik 19.10.2018, 11:00 Uhr

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.

Die Abbildung zeit den Aufbau eines Katalysator-Moleküls, bestehend aus Platin-Cobalt-Atomen.

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.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Mooser EMC Technik GmbH-Firmenlogo
Prüfingenieur / Prüftechniker (m/w/d) - Elektromagnetische Verträglichkeit Mooser EMC Technik GmbH
Egling, München, Ludwigsburg, Stuttgart Zum Job 
Airbus-Firmenlogo
Purchasing Manager IFE & Connectivity Cabin Airbus Toulouse (f/m/d) Airbus
Raum Toulouse (Frankreich) Zum Job 
Airbus Defence and Space-Firmenlogo
System IV&V Lead Engineer (d/m/w) Airbus Defence and Space
Airbus-Firmenlogo
Sales Manager - Digital Battlefield/C2-Land (d/m/w) Airbus
Friedrichshafen Area Zum Job 
Airbus-Firmenlogo
Supply Chain Coordinator in Material Operations (d/m/f) Airbus
Hannover Zum Job 
Airbus Helicopters-Firmenlogo
Contract Coordinator (d/m/w) für NH90 SWR2 Airbus Helicopters
Raum Augsburg Zum Job 
Airbus-Firmenlogo
Cockpit Specialist - Mise au Point (MAP) Systems Airbus
Raum Toulouse Zum Job 
Airbus-Firmenlogo
Buyer for General procurement (M/F) Airbus
Raum Toulouse (Frankreich) Zum Job 
Murrelektronik-Firmenlogo
Embedded Software Funktionstester / Applikationstester (m/w/d) Murrelektronik
Oppenweiler, Kirchheim unter Teck, Mobile Working Zum Job 
Digital Design Manufacturing & Services (DDMS)-Firmenlogo
Enterprise Architecture Framework Expert (m/f/d) Digital Design Manufacturing & Services (DDMS)
Raum Toulouse (Frankreich) Zum Job 
FH Münster-Firmenlogo
Professur für "Photovoltaik und Energiespeicher" FH Münster
Münster Zum Job 
FH Münster-Firmenlogo
Professur für "Digitales Planen und Building Information Modeling (BIM) in der Technischen Gebäudeausrüstung" FH Münster
Münster Zum Job 
KEYOU GmbH-Firmenlogo
Product Safety Officer (w/m/d) KEYOU GmbH
München Zum Job 
Airbus-Firmenlogo
Technical Manager EF Simulator Subsystems (d/m/f) Airbus
Manching Zum Job 
Hays Professional Solutions GmbH-Firmenlogo
Konstruktionsingenieur Elektrotechnik (m/w/d) Hays Professional Solutions GmbH
Dortmund Zum Job 
Hays Professional Solutions GmbH-Firmenlogo
SPS-Programmierer (m/w/d) Hays Professional Solutions GmbH
Dortmund Zum Job 
Hays Professional Solutions GmbH-Firmenlogo
Softwareentwickler Java (m/w/d) Hays Professional Solutions GmbH
Dortmund Zum Job 
TGM Kanis Turbinen GmbH-Firmenlogo
Verfahrenstechnikingenieur (m/w/d) TGM Kanis Turbinen GmbH
Nürnberg Zum Job 
halm. elektronik gmbh-Firmenlogo
(Senior) Projektingenieur (m/w/d) Solarenergie-Messtechnik halm. elektronik gmbh
Frankfurt am Main Zum Job 
FERCHAU GmbH-Firmenlogo
Softwaretester (m/w/d) IoT FERCHAU GmbH

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.

Weiterführende Links:

Ein Beitrag von:

  • Thomas Kresser

    Thomas Kresser ist Biologe und ausgebildeter Journalist. Er arbeitet unter anderem für das VDI Technologiezentrum, das Medizinportal NetDoktor, die Ärzteplattform Esanum und die Bauer Media Group. Thomas Kresser war Chefredakteur/stellv. Chefredakteur von DocCheck, Lifeline, Medscape und Onmeda. Er ist Gründer und Gesellschafter von ContentQualitäten. Seine Schwerpunkte: Biowissenschaften, Medizin, Nachhaltigkeit, Klimaschutz, Digital Health

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.