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Wenn Autos Wasser statt Abgase produzieren

Wissenschaftler der TU Berlin entwickeln in Kooperation mit BMW neuartige Katalysatormaterialien f√ľr leistungsf√§hige Auto-Brennstoffzellen. Kunststoff ist Teil der L√∂sung.

Wasserstoff-Brennstoffzellen gelten als ein Hoffnungstr√§ger in der Diskussion um den Fahrzeugantrieb der Zukunft. Ihr gr√∂√üter Vorteil: Wasser und W√§rme sind die einzigen ‚ÄěAbfallprodukte“, die sie aussto√üen. Einer der aktuell gr√∂√üten Nachteile: Die Kosten, die nicht zuletzt von dem sehr teuren Material Platin abh√§ngen, das f√ľr den Katalysator in der Brennstoffzelle ben√∂tigt 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*innen am Fachgebiet Elektrokatalyse und Materialien ist es in Kooperation mit Wissenschaftler von BMW jetzt gelungen, in einer autogerechten Wasserstoff-Brennstoffzelle das Katalysator-Tr√§germaterial chemisch so zu designen, dass trotz eines geringen Platineinsatzes hohe elektrische Leistung erzeugt wird. Ihre Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature Materials ver√∂ffentlicht.

Bei Brennstoffzellen-Fahrzeugen handelt es sich letztlich auch um E-Autos. Der Unterschied: Der ben√∂tigte Strom wird nicht in einer Batterie gespeichert, sondern an Bord w√§hrend der Fahrt nach Bedarf erzeugt. An zwei separaten Elektroden der Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff, der in einem speziellen Tank im Auto mitgef√ľhrt wird, mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft. Dabei entstehen Strom und Wasser. Der erzeugte Strom wird verbraucht oder in einer kleinen Pufferbatterie zwischengespeichert. F√ľr die elektrochemische Reaktion an der Kathode der Brennstoffzelle wird ein Platin-Katalysator ben√∂tigt. ‚ÄěSelbst 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 f√ľnf Gramm Platin pro Brennstoffzellen-Auto“, sagt Peter Strasser.

Das Problem: Die Platin-Nanopartikel m√ľssen in einer extrem gleichm√§√üigen Verteilung mit einem sogenannten Ionomer, einem Wasserstoff-Ionen (Protonen) leitenden Kunststoff, auf die Kohlenstofftr√§gersubstanz aufgebracht werden. Je weniger Platin-Nanopartikel verwendet werden sollen, desto wichtiger ist die gleichm√§√üige Verteilung des Ionomers, damit alle beteiligten Reaktanden Zugang zu den Platinpartikeln haben, die als Katalysator fungieren. Aus einer ungleichm√§√üigen Ionomer-Verteilung resultiert ein hoher Widerstand gegen den Transport von Sauerstoffmolek√ľlen, was wiederum zu einem hohen Verlust in der erzeugten elektrischen Spannung und Leistung f√ľhrt. ‚ÄěIn der jetzt ver√∂ffentlichten Arbeit beschreiben wir die Herstellung eines neuartigen, chemisch ver√§nderten Kohlenstofftr√§germaterials mit ma√ügeschneiderten Oberfl√§cheneigenschaften. Dadurch ist es uns gelungen, eine bisher unerreicht gleichm√§√üige Verteilung des Ionomers auf diesem Tr√§germaterial zu erzielen. So erreichen wir hohe Leistungsdichten bei geringem Platineinsatz“, sagt der Wissenschaftler. Dieser ma√ügeschneiderte Katalysator erzielte eine bislang unerreichte Leistungsf√§higkeit und Stabilit√§t bei der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle – bei einem um mindestens 50 Prozent geringeren Verbrauch von Platin.

‚ÄěDas Besondere an unserem Ansatz: Wir haben direkt mit einer autogerechten Brennstoffzelle gearbeitet, so dass unsere Ergebnisse die Chance haben, unmittelbar in die n√§chsten Generationen des Brennstoffzellen-Autos einzuflie√üen“, freut sich Peter Strasser √ľber den Erfolg

Referenz
Sebastian Ott, Alin Orfanidi, Henrike Schmies, Bj√∂rn Anke, Hong Nhan Nong, Jessica H√ľbner, Ulrich Gernert, Manuel Gliech, Martin Lerch & Peter Strasser,  Ionomer distribution control in porous carbon-supported catalyst layers for high-power and low Pt-loaded proton exchange membrane fuel cells, Nature Materials (2019), https://doi.org/10.1038/s41563-019-0487-0

Quelle: Technische Universität Berlin

 

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