Weniger edle Wasserstoffbrennstoffzellen mit höherem Wirkungsgrad
Bei PEMFCs wird als Elektrolyt eine wasserbasierende, saure Polymermembranen zusammen mit Elektroden auf Platinbasis (Pt) eingesetzt. Auf der Oberfläche eines Pt-basierten Katalysators wird an der Anode Wasserstoffbrennstoff verarbeitet, wo die Elektronen von den Protonen getrennt werden. Die Protonen passieren die Membran, bevor sie die Kathodenseite der Zelle erreichen. Auf der Kathodenseite vereint die Edelmetallelektrode Protonen und Elektronen mit Sauerstoff und es wird Wasser erzeugt, das dann als einziges Abfallprodukt abgegeben wird. Im Besonderen kann Sauerstoff in einer gereinigten Form hergestellt oder direkt aus der Luft an der Elektrode gewonnen werden. Das EU-finanzierte Projekt CHIPCAT (Design of thin-film nanocatalysts for on-chip fuel cell technology) wurde ins Leben gerufen, um nach einer brauchbaren Alternative für den Einsatz von Pt-Nanopartikeln zu suchen. Platin als ein Edelmetall erhöht den Preis von Wasserstoffbrennstoffzellen, was bis zu 50 % der Herstellungskosten ausmacht. Im Lauf des Vierjahresprojekts erkundeten die Forscher verschiedene Aspekte der physikalischen Abscheidungstechnologie. Typische industrielle Elektrodenfertigungsverfahren beinhalten Nassschritte, die nicht mit der Technologie elektronischer Bauelementen auf Siliziumbasis kompatibel sind. „Man schlug Dünnschichtkatalysatoren mit platindotierten Ceroxiden (Pt-CeOx), für die noch vor CHIPCAT Patentanmeldungen eingereicht worden sind, vor, um den Wirkungsgrad des in Brennstoffzellen eingesetzten Platins zu maximieren“, erläutert Dr. Daniel Mazur von der Karls-Universität Prag, Tschechische Republik, Forscher und Manager des Projekts. Die neuen Dünnschichtnanokatalysatoren bestehen aus Pt-Atomen, vorwiegend im Ionenzustand, die in einer Matrix aus einem reduzierbaren Oxid – Ceroxid – dispergiert sind. Die Oxidkristallite haben Durchmesser von wenigen Nanometern, um zu gewährleisten, dass die Mehrzahl der Pt-Atome auf die Oberflächen der Kristallite gelangen und katalytisch aktiv sind. „Wir mussten uns selbst und auch andere davon überzeugen, dass diese Verbindung so funktioniert, wie es vorgeschlagen wurde. Danach mussten wir die Schlüsselmechanismen erforschen, welche diese Nanokatalysatoren wirken lassen, damit wir sie verfeinern und Zusatzstoffe finden können, um letztlich das Beste daraus zu machen“, erinnert sich Dr. Mazur. Er hebt hervor, dass „eine Menge Experimente zu vereinfachten Materialien und technisch ausgereiften Modellrechnungen durchgeführt werden mussten, um die Projektziele erreichen zu können.“ Dr. Mazur merkt überdies an, dass „unsere veröffentlichten Resultate im Endeffekt darauf hindeuten, dass die neuen Katalysatoren die konventionellen überdauern können, da dispergierte Platinatome kaum eine Verbindung eingehen und deshalb die ursprüngliche Leistungsfähigkeit so lange beibehalten, wie das Gerüst (kohlenstoffhaltiges Material) hält.“ Zudem fügt er hinzu: „Unter Einsatz hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie konnten wir letztlich die einzelnen, in die Ceroxidkristallite eingebetteten Pt-Atome visualisieren. Dieser Nachweis wurde schon lange von unseren Forscherkollegen verlangt, die nicht von unserer Behauptung der 'atomar dispergierten' Natur des Katalysators überzeugt waren.“ Wesentliche Anstrengungen widmete man auch der Konstruktion einer Miniaturbrennstoffzelle, so dass diese in einer integrierten Schaltung untergebracht werden konnte. Die Forscher konzipierten ein System auf einem Chip, in dem Wasserstoff durch in einen Siliziumwafer-Chip geätzte mikrofluidische Kanäle fließt. Jedoch „bedeutet die unterschiedliche Geometrie im Vergleich zur Sandwichstruktur konventioneller PEMFCs, dass nur die Prozesse an den Kanalkanten zur Leistung der Mikro-Brennstoffzelle beitragen. Das grenzt deren Leistungsfähigkeit sowie die Menge an Strom ein, die erzeugt werden kann“, sagt Dr. Mazur. Es werden mehrere Strategien vorgeschlagen, um diese ernstzunehmende Hürde zu überwinden. So soll der Katalysator eher auf der Membran als auf den Grabenwänden abgeschieden werden. Die Erkenntnisse von CHIPCAT werden in mehr als 60 wissenschaftlichen Arbeiten beschrieben, die in einflussreichen, von Experten begutachteten Zeitschriften wie etwa Nature Communications und Nature Materials veröffentlicht wurden. Diese Publikationen dokumentieren das erzielte tiefgreifende Verständnis von in den untersuchten Materialien stattfindenden Prozessen, das der Schlüssel war, um zu den endgültigen Ergebnissen zu gelangen. Außerdem wurden erste Schritte in Richtung der Kommerzialisierung der neuen Dünnschichtkatalysatortechnologie unternommen. „Die Karls-Universität in Prag, Projektkoordinator in Partnerschaft mit der Jablotron-Gruppe, hat ein Spin-out-Unternehmen unter Leitung von Prof. Vladimír Matolín (Inhaber der vorhergehend erwähnten Patente) ins Leben gerufen“, sagt Dr. Mazur. Die Firma LEANCAT s.r.o. bietet die atomaren Nanokatalystoren bereits als Produkt an. Gleichzeitig produziert und verkauft sie Brennstoffzellen-Teststationen, die als Bestandteil des CHIPCAT-Projekts an der Karls-Universität entwickelt wurden.
Schlüsselbegriffe
Wasserstoff, Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, Einzelatomkatalyse, Platin, CHIPCAT
