TU Wien findet Lösung: So leben Brennstoffzellen länger

Keramische Brennstoffzellen, die bei einer Temperatur von 450 bis 1.000 °C arbeiten, haben den höchsten Wirkungsgrad. Die hohe Temperatur macht den Umgang mit ihnen allerdings nicht leicht. Für den mobilen Gebrauch, etwa in Elektroautos, sind sie ungeeignet. Es gibt Werkstoffe, etwa das exotisch klingende Strontium-dotierte Lanthancobaltat (LSC), die die Zelle auch bei niedrigeren Temperaturen arbeiten lässt. Doch die ermüden mit der Zeit, weil zu wenig Sauerstoff aus der Luft zum Reaktionsraum vordringt.

Einladende Oberfläche

Jetzt haben Wissenschaftler der Technischen Universität Wien das Problem gelöst. Ghislain Rupp vom Institut für Chemische Technologien und Analytik und sein Team vermuteten, dass es vor allem auf die Oberfläche des Materials ankommt.

Sie muss für Luftsauerstoff gewissermaßen einladend wirken, damit dieser sich einlagert, um durch das Material hindurchzuwandern und den Reaktionsraum zu erreichen. Hier verbindet er sich mit Wasserstoff. Dabei entstehen Strom und Wärme sowie Wasser als „Abfallprodukt“.

Laserpulse modifizieren die Kathode

Die Forscher entwickelten ein Verfahren, mit dem sie die Oberfläche gezielt verändern und die Auswirkungen auf Sauerstoff-Aufnahmefähigkeit messen konnten. „Mit einem Laserpuls verdampfen wir verschiedene Materialien, die sich dann in winzigen Mengen an der Oberfläche anlagern“, erklärt Rupp. „So können wir fein dosiert die Zusammensetzung der Kathoden-Oberfläche modifizieren und gleichzeitig beobachten, wie sich dabei der Widerstand des Systems verändert.“ Dieser Widerstand ist entscheidend für die Brauchbarkeit des Materials als Kathode in der Brennstoffzelle.

Strontium macht sich selbstständig

Das Team experimentierte mit unterschiedlichen Materialien. Dabei stellten sie beispielsweise fest, dass eine Überdosis Strontium an der Oberfläche schadet. Ganz ohne Strontium, das unter anderem in Feuerwerkskörpern genutzt wird – es sorgt für eine Rotfärbung – geht es allerdings nicht. Es kommt auf die Verteilung vor allem an der Oberfläche an. „Wenn dort Strontium-Atome dominieren, wird Sauerstoff nur sehr schwer eingebaut“,sagt Rupp. Kobalt dagegen wirkt einladend auf die Sauerstoffatome. Hier funktioniert die Einlagerung gut.

Mit dieser Erkenntnis konnten sich die Wiener Forscher auch erklären, warum das Material mit der Zeit für Sauerstoff immer undurchlässiger wird. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wandert Strontium aus dem Inneren der Keramik an die Oberfläche und überdeckt die Kobaltzonen. Für den Sauerstoff schließt sich gewissermaßen langsam die Tür.

Technischer Einsatz rückt näher

„Wir sind damit dem technischen Einsatz des Materials LSC für Brennstoffzellen einen wichtigen Schritt näher gekommen“, glaubt Rupp. „Unsere neue Untersuchungsmethode, die hochpräzise Beschichtung mit elektrischer Vermessung vereint, wird sicher auch in anderen Bereichen der Festkörperionik noch eine wichtige Rolle spielen.“

Welche Temperaturen erreichbar sind ist noch offen. Zudem müssen die Forscher jetzt einen Weg finden, die Wanderbewegung des Strontiums zu stoppen, zumindest aber zu verhindern, dass die aufstrebenden Strontiumatome das Kobalt überlagern. Zum Team gehören neben Rupp Professor Jürgen Fleig und eine Gruppe um Professor Andreas Limbeck, beide vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien.

Und hier finden Sie noch eine Geschichte zu Brennstoffzellen: Das britische Unternehmen Intelligent Energy hat eine Drohne mit einem Wasserstoffantrieb entwickelt. Statt normaler Akkus hat sie Brennstoffzellen an Bord. Der Antrieb sitzt oben auf dem Flugobjekt und wiegt mit Tank nur 1,5 kg. Das ist zwar mehr als ein Batteriepack, aber seine Reserven sind trotzdem deutlich größer. Zwei Stunden soll die Drohne in der Luft bleiben können.

Und Hyundai bringt schon 2018 ein Auto mit Brennstoffzelle auf den Markt, das eine Reichweite von 800 km hat.