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Wenn Autos Wasser statt Abgase produzieren

Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als ein Hoffnungsträger in der Diskussion um den Fahrzeugantrieb der Zukunft. Ihr größter Vorteil: Wasser und Wärme sind die einzigen Abfallprodukte, die sie ausstoßen. Einer der aktuell größten Nachteile: Die Kosten, die nicht zuletzt von dem sehr teuren Material Platin abhängen, das für den Katalysator in der Brennstoffzelle benötigt wird. Senkt man den Platingehalt in der Brennstoffzelle, sinkt aber auch die erzeugte elektrische Leistung noch schneller. Prof. Dr. Peter Strasser von der TU Berlin und seinen Mitarbeiter am Fachgebiet Elektrokatalyse und Materialien ist es in Kooperation mit Wissenschaftler von BMW jetzt gelungen, in einer autogerechten Wasserstoff-Brennstoffzelle das Katalysator-Trägermaterial chemisch so zu designen, dass trotz eines geringen Platineinsatzes hohe elektrische Leistung erzeugt wird. Ihre Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen handelt es sich letztlich auch um E-Autos. Der Unterschied: Der benötigte Strom wird nicht in einer Batterie gespeichert, sondern an Bord während der Fahrt nach Bedarf erzeugt. An zwei separaten Elektroden der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff, der in einem speziellen Tank im Auto mitgeführt wird, mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft. Dabei entstehen Strom und Wasser. Der erzeugte Strom wird verbraucht oder in einer kleinen Pufferbatterie zwischengespeichert. Für die elektrochemische Reaktion an der Kathode der Brennstoffzelle wird ein Platin-Katalysator benötigt. Selbst wenn die zur Zeit auf dem Markt befindlichen Brennstoffzellen-Autos auch nur noch 30 Gramm Platin pro Brennstoffzelle einsetzen, ist das immer noch weit entfernt von dem langfristig angestrebten und nachhaltigen Ziel von fünf Gramm Platin pro Brennstoffzellen-Auto.

Das Problem: Die Platin-Nanopartikel müssen in einer extrem gleichmäßigen Verteilung mit einem sogenannten Ionomer, einem Wasserstoff-Ionen (Protonen) leitenden Kunststoff, auf die Kohlenstoffträgersubstanz aufgebracht werden. Je weniger Platin-Nanopartikel verwendet werden sollen, desto wichtiger ist die gleichmäßige Verteilung des Ionomers, damit alle beteiligten Reaktanden Zugang zu den Platinpartikeln haben, die als Katalysator fungieren. Aus einer ungleichmäßigen Ionomer-Verteilung resultiert ein hoher Widerstand gegen den Transport von Sauerstoffmolekülen, was wiederum zu einem hohen Verlust in der erzeugten elektrischen Spannung und Leistung führt. Die jetzt veröffentlichte Arbeit beschreibt die Herstellung eines neuartigen, chemisch veränderten Kohlenstoffträgermaterials mit maßgeschneiderten Oberflächeneigenschaften. Dadurch ist es gelungen, eine bisher unerreicht gleichmäßige Verteilung des Ionomers auf diesem Trägermaterial zu erzielen. Das führt zu einer hohen Leistungsdichten bei geringem Platineinsatz. Dieser maßgeschneiderte Katalysator erzielte eine bislang unerreichte Leistungsfähigkeit und Stabilität bei der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle – bei einem um mindestens 50 Prozent geringeren Verbrauch von Platin.

Das Besondere an diesem Ansatz ist: Die Wissenschaftler haben direkt mit einer autogerechten Brennstoffzelle gearbeitet, so dass die Ergebnisse die Chance haben, unmittelbar in die nächsten Generationen des Brennstoffzellen-Autos einzufließen.

https://doi.org/10.1038/s41563-019-0487-0

http://www.tu-berlin.de/

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