Forscher halbieren Platinbedarf von Brennstoffzellen

Wenn Autos Wasser statt Abgase ausstoßen

Wasserstoff-Brennstoffzellen, Hoffnungsträger beim Fahrzeugantrieb der Zukunft, stoßen als einzigen „Abfallprodukte“ Wasser und Wärme aus. Doch einer der aktuell größten Nachteile sind die nicht zuletzt von dem sehr teuren Material Platin abhängenden Kosten für den Katalysator in der Brennstoffzelle. Senkt man den Platingehalt, sinkt die elektrische Leistung noch schneller. Prof. Peter Strasser von der TU Berlin und seinen Mitarbeitern am Fachgebiet Elektrokatalyse und Materialien ist es in Kooperation mit Wissenschaftlern von BMW einer Medienmitteilung vom 01.10.019 folgend 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 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“, so Peter Strasser.

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.  „In der jetzt veröffentlichten Arbeit beschreiben wir die Herstellung eines neuartigen, chemisch veränderten Kohlenstoffträgermaterials mit maßgeschneiderten Oberflächeneigenschaften. Dadurch ist es uns gelungen, eine bisher unerreicht gleichmäßige Verteilung des Ionomers auf diesem Trägermaterial zu erzielen. So erreichen wir hohe Leistungsdichten bei geringem Platineinsatz“, so der Wissenschaftler. 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 unserem Ansatz: Wir haben direkt mit einer autogerechten Brennstoffzelle gearbeitet, so dass unsere Ergebnisse die Chance haben, unmittelbar in die nächsten Generationen des Brennstoffzellen-Autos einzufließen“, freut sich Peter Strasser über den Erfolg.

*) Abstract des Artikels in Nature Materials: “Ionomerverteilungssteuerung in porösen, kohlenstoffgestützten Katalysatorschichten für leistungsstarke und niedrig Pt-belastete Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen”

“Die Reduzierung des Pt-Gehalts in der Kathode für Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen ist sehr wünschenswert, um deren Kosten zu senken. Eine Absenkung der Pt-Belastung der kathodischen Elektrode führt jedoch zu hohen Spannungsverlusten. Diese Spannungsverluste entstehen bekanntlich durch den Massentransportwiderstand von O2 über die Platin-Ionomer-Grenzfläche, die Lage der Pt-Partikel in Bezug auf den Kohlenstoffträger und die Strukturen der Träger. In dieser Studie präsentieren wir ein neues Pt-Katalysator/Trägerdesign, das den lokalen sauerstoffbedingten Massentransportwiderstand erheblich reduziert. Die Verwendung von chemisch modifizierten Kohlenstoffträgern mit maßgeschneiderter Porosität ermöglichte die kontrollierte Abscheidung von Pt-Nanopartikeln auf der Außen- und Innenfläche der Trägerteilchen. Dies führte zu einer beispiellos gleichmäßigen Abdeckung des Ionomers über die großflächigen Kohlenstoffträger, insbesondere unter trockenen Betriebsbedingungen. Folglich weist das vorliegende Katalysatordesign neben einer hohen Stabilität bei Spannungszyklen auch bisher unerreichte Leistungsdichten der Brennstoffzelle auf. Durch die coulombsche Interaktion zwischen den Gruppen Ionomer und N auf dem Kohlenstoffträger ist eine homogene Verteilung und Reproduzierbarkeit des Ionomers während der Produktherstellung gewährleistet.”

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