Durchatmen für Brennstoffzellen

Brennstoffzellen sind Hoffnungsträger in Sachen „grüne“ Energieerzeugung – doch ihr Einsatz birgt Schwierigkeiten. Denn im Laufe ihrer Betriebszeit verlieren die Zellen zunehmend an Leistung. Forscher haben nun untersucht, woran das liegt und wie man das Problem beheben kann. Demnach spielt vor allem eine verschlechterte Sauerstoffaufnahme des Kathodenmaterials eine Rolle. Verantwortlich dafür scheinen insbesondere die oft in dem Material enthaltenen Strontium-Atome zu sein.

Brennstoffzellen sollen langfristig dazu beitragen, unsere Energieversorgung mit nachwachsenden Ressourcen zu decken. Prototypen treiben bereits kleine Flugzeuge an und beheizen Privathaushalte. In Brennstoffzellen wird Sauerstoff am positiven Pol, der Kathode, aufgenommen und durch das Material zum Gegenpol transportiert. Dort reagiert er mit dem Brennstoff, meist Wasserstoff, zu Wasser. Bei dieser chemischen Reaktion wird elektrische Energie frei: Strom, der eine Lampe oder eben ein Flugzeug betreiben kann.

Flaschenhals: Sauerstoff

Doch es gibt ein Problem: Bei längerem Betrieb nimmt die Leistung der Brennstoffzelle zunehmend ab. „Der Flaschenhals dieses Gesamtprozesses ist der Sauerstoffeinbau an der Kathode“, erklärt Ghislain Rupp von der Technischen Universität Wien. Damit der Sauerstoff überhaupt schnell genug aufgenommen wird, sind in der Regel hohe Betriebstemperaturen von 700 bis 1000 Grad Celsius nötig. Forscher suchen deshalb schon seit längerer Zeit nach besseren Kathodenmaterialien, die eine niedrigere Betriebstemperatur erlauben.

Einer der vielversprechenden Kandidaten ist Strontium-dotiertes Lanthancobaltat, kurz LSC. Doch auch bei diesem Material gibt es ein Problem: Es ist langfristig nicht stabil, sodass die Leistung der Brennstoffzelle bei diesem Material irgendwann ebenfalls nachlässt. Rupp und seine Kollegen sind nun der genauen Ursache dieser Leistungsbremse auf den Grund gegangen.

Mit gepulsten Lasern wird die passende Oberfläche erzeugt. © TU Wien

Unter Laserbeschuss

Die Wissenschaftler vermuteten, dass die Kathodenoberfläche eine wichtige Rolle bei der Hemmung der Sauerstoffaufnahme spielt. Daher haben sie eine Technik entwickelt, um die Oberfläche gezielt zu manipulieren und dabei direkt die Auswirkung auf die elektrischen Eigenschaften zu messen.

„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.“

Blockade aus Strontium

Mit ihrer neuen Methode fanden die Wissenschaftler heraus, dass besonders das enthaltene Strontium im Kathodenmaterial Probleme bereiten kann. „Dort, wo Kobalt-Atome sitzen, funktioniert der Sauerstoff-Einbau gut, dort wo Strontium dominiert, gelangt kaum Sauerstoff in die Kathode“, berichtet Rupp.

Im Laufe des Betriebs lagern sich aber Strontium-Atome aus dem Inneren der Kathode mehr und mehr an der Oberfläche an und blockieren die Sauerstoffaufnahme an den aktiven Kobalt-Zentren. Dies erklärt schließlich den Leistungsabfall der LSC-Brennstoffzelle, so der Forscher. Ihr bleibt sozusagen die Luft weg.

„Einen Schritt näher“

„Wir sind mit unseren Ergebnissen dem technischen Einsatz des Materials LSC für Brennstoffzellen einen wichtigen Schritt näher gekommen“, glaubt Rupp. Die erprobte Technik sei aber nicht auf die Forschung an Brennstoffzellen beschränkt: „Unsere neue Untersuchungsmethode, die hochpräzise Beschichtung mit elektrischer Vermessung vereint, wird sicher auch in anderen Bereichen der Elektrochemie noch eine wichtige Rolle spielen“, sagt Rupp. (Nature Materials, 2017; doi: 10.1038/nmat4879)

(Technische Universität Wien, 30.03.2017 – CLU)