Unverwüstliche Brennstoffzelle 10.08.2013, 07:16 Uhr

Katalysator aus feinsten Fäden beschleunigt die Stromproduktion

Nanostrukturierter Schaumstoff aus Edelmetallen lässt Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge länger leben. Außerdem sinken dank einer deutsch-schweizerischen Forschungsallianz die Kosten.

Eine Brennstoffzelle, in der deutlich weniger Edelmetalle verbaut werden, die aber trotzdem erheblich langlebiger ist, haben die Forscher Thomas Justus Schmidt, Leiter des Labors für Elektrochemie und Rüdiger Kötz, Leiter der Gruppe für Elektrokatalyse und Grenzschichten, entwickelt.

Eine Brennstoffzelle, in der deutlich weniger Edelmetalle verbaut werden, die aber trotzdem erheblich langlebiger ist, haben die Forscher Thomas Justus Schmidt, Leiter des Labors für Elektrochemie und Rüdiger Kötz, Leiter der Gruppe für Elektrokatalyse und Grenzschichten, entwickelt.

Foto: Markus Fischer/ Paul Scherrer Institut

Brennstoffzellen, die Wasserstoff in Verbindung mit Sauerstoff aus der Luft in Strom und Wasser verwandeln, sind ideale Kraftspender für die Elektromobilität. Sie haben nur zwei Nachteile: Sie sind so teuer, dass nur Liebhaber sie sich leisten wollen, und ihre Lebensdauer ist zu gering.

Aerogel aus einer Platin-Palladium-Legierung

Beide Probleme haben Wissenschaftler aus der Schweiz und aus Dresden jetzt gelöst, vorerst im Labor. Sie haben die Menge an Edelmetallen, die die normalerweise träge Umsetzung von Sauerstoff in Wasser massiv beschleunigen,  auf ein Fünftel reduziert und ihre Langzeit-Stabilität deutlich erhöht. Das schafften sie mit einem so genannten Aerogel aus einer Platin-Palladium-Legierung. Das ist eine Art Schaumstoff, der aus nanofeinen Edelmetallfäden besteht. Die Durchmesser der Poren liegen ebenfalls im Nanobereich (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Das Aerogel bildet den Pluspol (Anode) der Zelle.

Elektronenmikroskopische Aufnahmen des Platin-Palladium-Aerogels (bei einem Verhältnis von 50 Prozent Platin und 50 Prozent Palladium).

Elektronenmikroskopische Aufnahmen des Platin-Palladium-Aerogels (bei einem Verhältnis von 50 Prozent Platin und 50 Prozent Palladium).

Foto: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Damit gelang den Forschern der Technischen Universität Dresden und des Paul Scherrer Instituts im schweizerischen Villigen ein weltweit bisher einmaliges Kunststück. Sie sind die ersten, die ein Aerogel aus einer Metalllegierung hergestellt haben. Bisher gelang das nur mit Oxiden oder reinen Metallen. In Brennstoffzellen heutiger Bauart befindet sich das reaktionsbeschleunigende Edelmetall auf und in einem porösen Kohlenstoffträger. Ein Teil des Luftsauerstoffs, der in Wasser umgesetzt werden soll, reagiert mit dem Kohlenstoff, sodass dieser mit der Zeit seine Stabilität verliert. Dann muss er ausgetauscht oder die gesamte Zelle durch eine neue ersetzt werden.

Gefahr durch Beschleunigen und Bremsen

Das Aerogel ist dagegen so stabil, dass es beinahe ewig hält. Das liegt nicht zuletzt daran, dass der Sauerstoff an der Anode so schnell umgesetzt wird, dass ihm keine Zeit bleibt, zerstörerisch zu wirken. Gefährdet sind herkömmliche Anoden auf Kohlenstoffbasis vor allem durch die Betriebsbedingungen von Autos mit vielen Lastwechseln beim Beschleunigen und Bremsen. Dagegen sind Aerogele beinahe völlig immun, wie Langzeittests im Labor zeigten. Dabei simulierten die Wissenschaftler reale Fahrbedingungen.

Die Schweizer Forscher arbeiten seit zehn Jahren an der Weiterentwicklung der für die Elektromobilität besonders gut geeigneten Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen. Den Durchbruch schaffte jetzt eine interdisziplinäre Arbeitsgruppe, geleitet von  den PSI-Wissenschaftlern Thomas Justus Schmidt, Leiter des Labors für Elektrochemie, und Rüdiger Kötz, Spezialist für Elektrokatalyse und Grenzschichten, sowie von Professor Alexander Eychmüller, der in Dresden Physikalische  Chemie lehrt.

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