Brennstoffzellenkatalysatoren mit wenig oder ohne Platin
Katalysatoren auf Basis von Platin (Pt) oder Pt-Legierungen an der Anode und der Kathode der Membranelektrodenanordnung (MEA) beschleunigen die chemischen Reaktionen, die den Elektronenfluss bzw. den Strom erzeugen. Die Katalysatoren werden auf feste Substrate aufgebracht, sie häufig aus Kohlenstoffmaterialien bestehen. Diese Träger nutzen sich an und vermindern so die Lebensdauer, was eine höherer Pt-Beladung erforderlich macht. Das EU-finanzierte Projekt CATAPULT (Novel catalyst structures employing Pt at ultra low and zero loadings for automotive MEAs) entwickelt Technologie, um dieses Problem zu lösen. Die Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf ultra-dünne Langfilm-Pt-Beschichtungen als auch auf Pt-freie Gruppenmetall (PGM)-basierte Katalysatoren, und sogar auf Hybriden aus diesen beiden Typen. Darüber hinaus stellt der Einsatz von Faserstrukturen als Katalysatorträger aufgrund ihres hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses und des durch ihre Verdichtung erzeugten Hohlraumvolumens ein aufkommendes Konzept dar. Bereits in den ersten 18 Monaten hat das Team Erfolge jenseits der ursprünglichen Ziele vorweisen können. Die Wissenschaftler entwickelten einen Pt-armen Katalysator, dessen sehr hohe Massenaktivität (erzeugter Strom pro Milligramm Pt) die ehrgeizigen Projektziele übertrifft. Fünf neuartige PGM-freie Katalysatoren auf Basis von metallorganischen Gerüstmaterialien und mit einer Massenaktivität über dem aktuellen Stand der Technik wurden ebenfalls vorbereitet. Schließlich zeigte ein Hybrid aus Eisen und einem Katalysator mit geringsten Pt-Mengen eine ausgezeichnete elektrochemische Aktivität. CATAPULT produziert auch korrosionsbeständige Faser- und Rohrträgerstrukturen mittels Elektrospinnen, einer innovativen Technik, die die kontrollierte Erzeugung von 1D-Nanomaterialien ermöglicht. Die angepeilte Leitfähigkeit und elektrochemische Stabilität wurden bereits mit mehreren oxidischen Nanodraht- und Nanoröhrchen-Materialien erreicht. Verbesserte Modelle von großer Moleküldynamik haben die Berechnungszeit im Vergleich zu herkömmlichen (Dichtefunktionaltheorie) Verfahren signifikant verringert und lassen auf vielversprechende kohlenstofffreie Trägersysteme hoffen. Die Demonstration eines niedrigen Pt-Gehalts und einem reduzierten Abbau des Trägers im Vergleich zu MEA-Katalysatoren wird den Weg für die breite Kommerzialisierung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen ebnen. Diese Leistung durch das CATAPULT-Konsortium wird die EU an die Spitze eines riesigen globalen Marktes bringen.
Schlüsselbegriffe
Platin, Brennstoffzelle, Katalysator, Membranelektrodenanordnung
