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Zur wirtschaftlichen Brennstoffzelle

29.06.2016 | Banner FoE Sustainable Systems |

Von Alexander Schenk

Zur effizienten und emissionsarmen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mit Brennstoffzellen bedarf es langlebiger, korrosionsbeständiger und elektrochemisch hochaktiver Materialien.

Alexander Schenk

Die gegenwärtig verwendeten platinbasierten Katalysatorsysteme werden zur Kostenminimierung mit Übergangsmetallen kombiniert. Diese Herangehensweise ermöglicht die Steigerung der katalytischen Aktivität und damit die Stromproduktion, bezogen auf die eingesetzte Menge an Platin.

Um die Energieversorgung trotz begrenzter Verfügbarkeit fossiler Rohstoffe und gleichzeitiger verbindlicher umweltpolitischer Vorgaben zur Reduktion von Schadstoff- und Treibhausgasemissionen auch in Zukunft sicherzustellen, bedarf es neuer Technologien zur Steigerung der Effizienz der Energieumwandlung. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle ermöglicht die emissionsfreie, effiziente und nachhaltige elektrische Energieerzeugung für mobile, portable und stationäre Anwendungen. Zur Beschleunigung der Markteinführung und zur Ressourcenschonung stehen neue, kostengünstige Katalysatorsysteme für Brennstoffzellen im Fokus der Entwicklung.

Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle

Brennstoffzellen gehören zu den galvanischen Zellen und sind vom Prinzip her ähnlich den Batterien aufgebaut: Zwei Elektroden (Anode, Kathode) sind durch den Elektrolyt getrennt. Der Elektrolyt leitet Ionen, aber keinen elektrischen Strom. An der Anode wird der Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff (H2), umgesetzt und bildet in der atalysatorschicht das protonierte Wassermolekül Oxonium (H3O+, gebräuchlich: H+) und Elektronen. Die Elektronen (e-) fließen über den äußeren Stromkreis und treiben dort den elektrischen Verbraucher an. Die Ionen wandern durch den Elektrolyten und reagieren an der Kathode mit Elektronen und Luftsauerstoff (O2) zu Wasser (H2O) als Reaktionsprodukt. 

Das Funktionsprinzip einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle.

Die Sauerstoffreduktionsreaktion

Die derzeit eingesetzten platinbasierten Nano-Katalysatoren erzielen außerordentlich hohe Reaktionsraten zur Wasserstoffoxidation an der Anode in der Brennstoffzelle. Die deutlich niedrigere Reaktionskinetik der Sauerstoffreduktion an der Kathode limitiert sowohl die Leistungsdichte als auch den Umwandlungswirkungsgrad. Um die Sauerstoffreduktionskinetik an die Wasserstoffoxidation anzupassen, werden an der Kathode derzeit bis zu 10-fach höhere Mengen an Platin-Katalysatoren eingesetzt. Der Großteil der Kosten der Brennstoffzelle entfallen dadurch auf den Kathodenkatalysator.

Die Entwicklung neuer Katalysatorsysteme für Brennstoffzellen erfolgt unter den Randbedingungen der ausreichenden Verfügbarkeit, hoher Aktivität unter den korrosiven und oxidierenden Bedingungen an der Kathode, langer Lebensdauer und guter Skalierbarkeit der Produktionsmethoden. Zur Wahl der geeigneten Materialien bedarf es jedoch des Verständnisses der fundamentalen Vorgänge an der Platinoberfläche der eingesetzten Nano-Katalysatoren während der Sauerstoffreduktion, des Einflusses der Katalysatorstruktur und des Verständnisses unterschiedlicher Fertigungsmethoden.

Neue Katalysatoren für die Brennstoffzelle

Die Bandbreite möglicher Elemente für den Einsatz als Katalysator in Polymerelektrolytbrennstoffzellen ist überschaubar; neben Platin sind nur noch Gold und Iridium in ihrer Bulkform bei Potenzialen höher als 0,9 V thermodynamisch stabil. Daher beschäftigt sich der Großteil der Forschungsvorhaben mit der Steigerung der Aktivität von Platin gegenüber der Sauerstoffreduktion. Studien zeigten, dass eine 2- bis 4-fache Steigerung der Massenaktivität, also der katalytischen Aktivität bezogen auf die eingesetzte Menge an Platin, ausreichend wäre, um diese Brennstoffzelle wirtschaftlich zu machen. Jedoch wird eine steigende Nachfrage nach Platin durch die Brennstoffzellenproduktion den Platinpreis beeinflussen, sodass im Endeffekt eine 4- bis 10-fache Steigerung der Massenaktivität für den kommerziellen Erfolg dieser Brennstoffzellentechnologie notwendig sein wird.

Die angestrebte Steigerung der Massenaktivität wird durch Katalysatoren mit Kern-Schalen-Strukturen geschaffen. Die Schale ist dabei eine Platinschicht an der Oberfläche der Katalysator-Nanopartikel. Der Kern besteht zumeist aus einer Legierung von Platin mit weniger edlen 3d-Metallen, wie Eisen, Kobalt, Nickel oder Kupfer. Die Platinschale stabilisiert die Legierungen kinetisch gegen das Herauslösen der weniger edlen Komponenten, während der Legierungskern die elektronischen Eigenschaften der Platindeckschicht ändert und die Sauerstoffreduktionsrate an der Platinoberfläche steigert. Die Charakterisierung der Katalysatorsysteme erfolgt zuerst ex situ, also außerhalb der Brennstoffzelle, in sogenannten Halbzellen; das heißt, es wird für die Sauerstoffreduktion nur die Kathode untersucht. Wenige Mikrogramm des hergestellten Katalysators werden dazu auf eine rotierende Scheibenelektrode (englisch: rotating disk electrode, RDEs) aufgebracht und anschließend wird deren Aktivität und Stabilität bestimmt.

Zeigt der Katalysator die gewünschten Eigenschaften, werden Gasdiffusionselektroden gefertigt und das Katalysatorsystem in der Brennstoffzelle auf Leistung und Lebensdauer getestet.

Die Elektroden mit den im Brennstoffzellenlabor entwickelten Katalysatorsystemen werden in Brennstoffzellenstapeln des Industriepartners eingesetzt und erfolgreich getestet. Dabei konnte die Platinbeladunggegenüber kommerziell verwendeten Elektroden in Brennstoffzellen bei gleichbleibender Leistung und Lebensdauer um 20 Prozent reduziert werden.

Strom-Spannungs-Charakteristik einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle und die zugehörige Stromverteilung über die Fläche bei einer Stromdichte von 1 A cm-2.

Brennstoffzellenforschung

Neben der Katalysatorentwicklung werden am Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik in der Arbeitsgruppe von Viktor Hacker die Einflüsse auf die Lebensdauer von Polymerelektrolytbrennstoffzellen(SecondAct, FC-Diamond, PEMREX S), der Einsatz von flüssigen Energieträgern in Niedertemperatur-Brennstoffzellen (e!polycat, H2-Speicher) und, basierend auf einem patentierten Prozess, die Wasserstoffproduktion und Wasserstoffreinigung (HyStorm, Mestrex, OSOD) im Rahmen von nationalen und internationalen Forschungsprojekten untersucht.

Information

Alexander Schenk ist Postdoc am Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik. Seit 2015 leitet er im Brennstoffzellenlabor das Projekt MEA Power zur Reduktion der Platinbeladung in Brennstoffzellen für die kombinierte Strom- und Wärmegewinnung.

Kontakt

Alexander SCHENK
Dipl.-Ing. Dr.techn. BSc
Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik
Inffeldgasse 25/C/II
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Tel.: +316 873 8793
Fax: +43 316 873 108793
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