Langlebigere Brennstoffzellen für Wasserstoff-Fahrzeuge

Optimiert fürs längere Fahren: Forscher haben einen Katalysator entwickelt, der die Lebensdauer von Brennstoffzellen für Wasserstoff-Fahrzeuge deutlich erhöhen könnte. Denn das selbsttragende Netzwerk aus Platin und Kobaltoxid-Nanopartikeln benötigt keinen Kohlenstoff als Träger und ist damit weniger anfällig für Korrosion. Der Katalysator ist zudem leicht industriell herstellbar und könnte so zur weiteren Optimierung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen beitragen.

Von Brennstoffzellen angetriebene Wasserstoff-Fahrzeuge könnten ein wichtiger Baustein für die Mobilität der Zukunft sein. Denn sie haben eine größere Reichweite und sind leichter als Akku-betriebene Fahrzeuge. Die Brennstoffzellen erzeugen Strom, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser verbinden. Katalysatoren an den Elektroden sorgen dafür, dass die Reaktionen schnell genug ablaufen.

Elektrochemische Korrosion begrenzt Lebensdauer

Das Problem jedoch: Der heute standardmäßig an der Sauerstoffelektrode eingesetzte Katalysator aus Platin-Kobalt-Partikeln auf einem Kohlenstoffträger korrodiert im Laufe der Zeit. Seine Partikel verschmelzen miteinander und verringern so die Oberfläche des Katalysators und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle. „Unsere Motivation war es daher, einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der dennoch leistungsfähig ist“, erklärt Seniorautor Matthias Arenz von der Universität Bern.

Dafür haben Arenz, Erstautor Gustav Sievers von der Universität Kopenhagen und ihr Team eine Methode entwickelt, mit der sich ein selbsttragendes poröses Netzwerk aus den Katalysator-Partikeln erzeugen lässt. „Das umgeht die Korrosionsprobleme der gängigen kohlenstoffbasierten Katalysatoren“, sagen sie.

Selbsttragendes Netzwerk statt Kohlenstoffträger

Für die Herstellung ihres optimierten Katalysators nutzen die Forscher das Verfahren der Kathodenzerstäubung. Dabei werden gasförmige Platin- und Kobaltatome schichtweise auf eine Unterlage gesprüht. Beim Kondensieren reagieren sie miteinander und mit der Luft und bilden ein poröses Netzwerk aus Platin und Kobaltoxid. Dieses metallische Netzwerk ist in sich stabil und kann daher ohne Trägermaterial eingesetzt werden.

„Mit dem speziellen Sputterverfahren und anschließender Behandlung kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist“, berichtet Sievers. En weiterer Vorteil: „Diese Technologie ist industriell skalierbar und kann somit auch für größere Produktionsvolumen beispielweise in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden“, ergänzt Arenz.

Oberfläche bleibt stabil

Wie stabil der neue Katalysator in einer Brennstoffzelle läuft, haben die Forscher bereits getestet. Bei typischen Start-Stopp- und Ladezyklen degradierte ein herkömmlicher Platin-Kobalt-Katalysator relativ schnell: Nach 800 Zyklen hatte seine elektrochemisch aktive Oberfläche um 53 Prozent abgenommen. „Der selbsttragende Platin-Kobaltoxid-Katalysator war substanziell stabiler und verlor nur 15 Prozent seiner Oberfläche“, berichten die Wissenschaftler.

Nach Ansicht von Sievers und seinen Kollegen kann der neue Katalysator damit dazu beitragen, die Wasserstoff-Brennstoffzelle für den Einsatz im Straßenverkehr zu optimieren. „Der von uns entwickelte Katalysator erreicht eine große Leistungsfähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Stromdichte“ sagt Arenz. „Unsere Erkenntnisse sind somit von Bedeutung für die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitätssektor für den Schwerverkehr.“ (Nature Materials, 2020; doi: 10.1038/s41563-020-0775-8)

Quelle: Universität Bern