Kostengünstige Katalysatormaterialien für Brennstoffzellen
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) mit dem Null-Emissions-Kraftstoff Wasserstoff stellen eine sehr attraktive Wahl für den Einsatz in Brennstoffzellen-Fahrzeugen dar. Zunächst wird in PEMFC Wasserstoffgas an einer Elektrode in seine Bestandteile Protonen und Elektronen aufgeteilt. Im Folgenden erzeugt der Elektronenfluss elektrische Energie, bevor die Elektronen und Protonen mit reduziertem Sauerstoff an der zweiten Elektrode rekombinieren, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser gebildet wird. Auch wenn diese Technologie einen hohen Wirkungsgrad vorzuweisen hat, benötigt die Reaktion, die reduzierten Sauerstoff in Brennstoffzellen erzeugt, eine teure Platinelektrode. Dieser Edelmetallkatalysator ist der schlimmste Kostentreiber und damit das Haupthindernis für die für den Massenmarkt bestimmten Brennstoffzellen. Um den Erfordernissen in Sachen Wirkungsgrad, Haltbarkeit und Kosten von Brennstoffzellen nachzukommen, initiierten Wissenschaftler das von der EU finanzierte Projekt CATHCAT (Novel catalyst materials for the cathode side of MEAs suitable for transportation applications). Sie entwickelten neue Legierungskatalysatoren auf Basis von Platin oder Palladium als ersten und Elementen Seltener Erden als zweiten Bestandteil. Computersimulationen zur Modellierung katalytischer Reaktionen offenbarten, dass die katalytische Aktivität zunimmt, wenn Platinatome gedehnt werden, obwohl es eine Grenze für die maximal mögliche Dehnung gibt. Das Team setzte verschiedene elektrochemische Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln aus Platin- und Palladiumlegierungen, auch vakuumgestützte Methoden, ein. In Abhängigkeit vom Verfahren bilden die zufällig verteilten Atome in den Legierungen entweder geordnete kristalline oder polykristalline Strukturen. Aus den Resultaten geht hervor, dass Platin- oder Palladiumatome, die auf Seltenerdelemente geschichtet sind, weit stärker zusammengeschoben werden, als es bei reinen Platinatomen der Fall wäre, und diese resultierende Dehnung steigert den katalytischen Wirkungsgrad um einiges. Insbesondere die neu entwickelten Nanopartikel zeigten eine um bis zu fünfmal höhere katalytische Aktivität und erwiesen sich außerdem als sehr stabil. Die hohen Kosten für Platin und andere Edelmetalle stellen eine große Hürde für die Kommerzialisierung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen dar. Eine Reduktion im großen Ausmaß oder auch das Ersetzen von Platin ermöglicht eine signifikante Senkung der Kosten von PEMFCs. Auf diese Weise sollten sie für den Verkehrsbereich praktikabler werden und somit leichter zum Markt durchdringen können.
Schlüsselbegriffe
Katalysatormaterialien, Brennstoffzellen, Platin, PEMFCs, Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, CATHCAT, Palladium, Seltenerdmetalle
