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Anti-Aging für Brennstoffzellen

23.04.2019 | Banner FoE Sustainable Systems | Planet research | FoE Advanced Materials Science | FoE Sustainable Systems | Newsletter research monthly

Von Birgit Baustädter

Vanja Subotic forscht daran, die Alterung von Brennstoffzellen frühzeitig zu erkennen, aufzuhalten und im besten Fall umzukehren. Für ihre Arbeit erhielt sie 2019 den Josef-Krainer-Förderungspreis.

Vanja Subotic untersucht, wie Brennstoffzellen altern – und wie man das verhindern kann. © Baustädter – TU Graz

„Dass ich etwas Technisches studieren möchte, wusste ich seit der Grundschule“, erzählt die junge Frau, während sie die langen Gänge und vielen Stiegen zwischen ihrem Büro und dem Brennstoffzellenlabor in der Inffeldgasse 25 hinunterspaziert. „Und ich wusste schon damals, dass ich an der TU Graz studieren will“, fügt sie hinzu und schmunzelt.

Gesagt, getan.

2007 inskribierte Subotic für das Bachelorstudium Elektrotechnik. „Am Anfang war die Sprache für mich schwer“, erzählt sie. Im Gymnasium – die Jungforscherin besuchte das Nikola-Tesla-Gymnasium in Kozarska Dubica – hatte sie Deutsch gelernt, für Fachbegriffe hatte sie in den ersten Studienmonaten immer ein eigenes Wörterbuch dabei. Im Masterstudium spezialisierte sich die Wissenschafterin auf Energietechnik, auf erneuerbare Energie und nachhaltige Energiespeicher, unter anderem auch auf Brennstoffzellen. Heute hat die 30-Jährige eine Laufbahnstelle am Institut für Wärmetechnik und forscht an Alterungsprozessen in Hochtemperaturbrennstoffzellen.

Kleine Platten mit großem Inhalt

Brennstoffzellen sind kleine Platten. Auf einer Seite befindet sich Brennstoff – zum Beispiel Wasserstoff –, auf der anderen Seite Sauerstoff. Wenn der Brennstoff oxidiert, kommt es zu einer elektrochemischen Reaktion. Energie wird freigesetzt. Das macht die Brennstoffzelle zu einer nachhaltigen und energieeffizienten Technologie. Denn im Gegensatz zu konventionellen Technologien wie Kohlekraftwerken oder Verbrennungsmotoren wird chemische Energie hier ohne Umwege in elektrische Energie umgewandelt. Hochtemperaturbrennstoffzellen kommen vor allem in stationären Systemen zum Einsatz, zum Beispiel in Kraftwerken oder in Häusern: als autarkes Energiesystem, das elektrische Energie, Heizwärme und Warmwasser produziert. Dabei können unterschiedliche Brennstoffe verwendet werden: zum Beispiel Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Methan.

Eine Hand hält eine quadratische Platte, die mit schwarzer Masse beschichtet ist.

Brennstoffzellen gelten als umweltfreundlicher Energielieferant.

Wenn Brennstoffzellen altern …

Wenn Brennstoffzellen altern, sinkt ihre Leistung. „Alterungsprozesse sind ganz natürlich“, erklärt Subotic. „Allerdings kann es auch an den jeweiligen Brennstoffen liegen, dass die Leistung der Zelle abnimmt.“ Hier setzt Subotics Arbeit an: Sie entwickelt Methoden, um diese Vorgänge frühzeitig zu erkennen, zu klassifizieren und schlussendlich umzukehren: „Ich möchte die Lebensdauer der Zellen verlängern. Sie müssen dabei sicher sein und eine konstant hohe Leistung erbringen.“

Zur Veranschaulichung: Wird Nickel als Baustoff in der Zelle verwendet, können sich einzelne Nickel-Partikel aufgrund der hohen Temperaturen und beeinflusst vom Brennstoff miteinander verbinden. Die aktive Oberfläche schrumpft, die Leitfähigkeit wird schlechter und die Zelle liefert weniger Energie. Oder es lagert sich Kohlenstoff in der Zelle ab, die Zelle erleidet eine Schwefelvergiftung oder wird durch Ammoniak geschädigt – all das beschleunigt den Alterungsprozess dramatisch. „Wenn wir diese Vorgänge von vornherein kennen, können wir das ganze System umbauen oder während des Betriebs an Betriebsbedingungen anpassen. Die Zellen sind dann von Anfang an besser gegen Degenerationsmechanismen gerüstet.“

Eine blonde Frau schaut in die Kamera. Sie trägt einen weißen Labormantel. In der Hand hält sie eine quadratische Platte mit schwarzer Beschichtung. Hinter ihr ist ein grauer Kasten, der in der Mitte ein quadratisches Loch hat.
Die Forscherin verbringt viel Zeit im Labor. In dem grauen Ofen hinter ihr werden Brennstoffzellen getestet. Durch das offene Guckloch kann sie aus sicherer Entfernung alle Vorgänge beobachten.

Vom Computer ins Labor

In ihrem Labor angekommen, greift Subotic sich eine Brennstoffzelle: „Ich muss sehr viel überlegen, sehr viel planen. Die Arbeit macht mir großen Spaß. Besonders das Tüfteln an Problemlösungen“, beschreibt die Forscherin, in ihrem Labor angekommen, mit einem Lächeln um den Mund und einer einzelnen Brennstoffzelle in der Hand.

In einem ersten Schritt werden ihre Methoden simuliert und numerisch analysiert. Dann geht es für die Forscherin ins Labor, wo sie alles noch einmal experimentell nachprüft. „Wenn ich ein Experiment mache, dann ist das die Wirklichkeit – ich kann sehen, was in der Zelle passiert.“ Ausgangspunkt ist immer die einzelne Zelle. Anschließend wird ein Zellenstapel – ein Stack – untersucht. Zum Schluss werden die Erkenntnisse am ganzen System getestet.

Hände mit violetten Handschuhen. Sie halten einen silbernen Kastern, in dem mehrere grüne Platten befestigt sind.

Zuerst werden einzelne Brennstoffzellen untersucht, danach Stacks und zum Schluss ganze Systeme.

Reise nach Japan

Subotic verbringt viele Stunden in ihrem rund 20 Quadratmeter großen Labor im Keller des Instituts. Wenn es die Zeit erlaubt, achtet sie auf Ausgleich, trifft sich mit Freunden oder mit Familie, macht Sport oder verreist.

Weit weg von ihrem Labor geht es für Subotic das nächste Mal im Juni – allerdings beruflich. „Für meine Laufbahnstelle werde ich knapp vier Monate in Japan verbringen. Ich werde am größten Forschungszentrum für Wasserstoffenergie – dem International Research Center for Hydrogen Energy in Fukuoka – sowie an der Kyushu University arbeiten“, erzählt sie. „Brennstoffzellen sind eine sehr saubere Energieform. Sie emittieren keine NOx (Stickoxide), keine SOx (Schwefeloxide) und kaum CO2. Deshalb werden sie als Energielieferanten immer wichtiger.“ Bis sie aber genauso gut entwickelt sind wie Verbrennungskraftmaschinen, ist noch viel Forschungsarbeit notwendig.

Deshalb ist ihr die Arbeit mit den Forschenden der Zukunft ein großes Anliegen: Bereits jetzt betreut sie eigenständig Master- und Bachelor-Studierende und beteiligt sich an der Betreuung von Dissertierenden. „Ich möchte in den jungen Menschen das Interesse wecken. Bisher scheint mir das ganz gut zu gelingen: Ein Großteil der Studierenden, mit denen ich gearbeitet habe, sind in diesem Forschungsgebiet geblieben.“

Information

Vanja Subotic erhielt für ihre Arbeit den Josef-Krainer-Förderungspreis 2019.

Kontakt

Vanja SUBOTIC
Institut für Wärmetechnik
Plüddemanngasse 104/IV
8010 Graz
Tel.: +43 316 873 7319
vanja.suboticnoSpam@tugraz.at