Brennstoffzelle Nanostrukturierte Katalysatoren für die Wasserstoff-Brennstoffzelle

Li-Ionen-Batterien haben Konkurrenz: In Sachen Gewicht, Ladedauer und Reichweite sind ihnen Wasserstoffbrennstoffzellen bereits eine Nasenlänge voraus. Und die Kosteneffizienz hat sich gerade ein Forscherteam der TU Berlin vorgenommen, das auf nanostrukturierte Materialien setzt.

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Berlin – Wasserstoffbrennstoffzellen nutzen molekularen Wasserstoff als Energiespeicher. Dessen Speicherdichte ist fast 200-mal höher als die einer Li-Ionen-Batterie. Im wasserstoffbasierten Brennstoffzellenantrieb wird die chemische Wasserstoffenergie in elektrische Energie umgewandelt. Obwohl die praktische Umwandlungseffizienz dabei derzeit nur etwa 50 Prozent beträgt, benötigt ein Elektromobil nur etwa sechs Kilogramm Wasserstoff für 450 Kilometer Reichweite, und das Tanken dauert nur sechs Minuten. Eine typische Li-Ionen-Batterie ist dagegen mindestens 200 Kilo schwer, braucht sechs bis neun Stunden beim Laden und reicht dabei nur für etwa 200 Kilometer.

Wissenschaftler der TU Berlin kooperieren in einem Exzellenzprojekt mit Partnern aus Industrie und Akademie, um die katalytische Umwandlung von Wasserstoff und Sauerstoff in nutzbare Elektrizität in Brennstoffzellen effizienter und kostengünstiger zu machen. Dazu erhalten sie finanzielle Unterstützung vom US-Energieministerium. Im Zentrum der Forschung stehen neue nanostrukturierte Materialien, die den Bedarf an Platin in Wasserstoffbrennstoffzellen senken sollen.

Die Arbeitsgruppe von Peter Strasser, Professor für Technische Chemie, arbeitet seit 2005 an einer neuen Familie nanostrukturierter Brennstoffzellkatalysatoren. Sie bestehen aus einem platinarmen Kern, umgeben von einer hauchdünnen platinreichen Schale. Das soll erstens die benötigte Platinmenge reduzieren, zweitens katalysiert die Platinschale die chemischen Prozesse um ein Vielfaches besser als reines Platin. Die Lebensdauer des Materials im laufenden Brennstoffzellenbetrieb ist allerdings noch eine Herausforderung. Strasser und sein Team suchen daher nach Möglichkeiten, die Kern-Schale-Konfiguration durch neuartige Trägermaterialien zu stabilisieren, vor allem durch stickstoffhaltige Kohlenstoffe, aber auch durch das Hinzufügen zusätzlicher Metallpartikel in den Kern.

Das als Katalysator in der Brennstoffzelle eingesetzte Edelmetall Platin in nanostrukturierter Form ist nämlich eine teure Angelegenheit. Strasser und seine Kollegen im Verbundprojekt wollen seinen Kostenanteil senken: Bislang benötigte man 0,8 Gramm Platin pro Kilowatt Leistung, das Ziel der Wissenschaftler sind 0,1 Gramm pro Kilowatt. „Wenn wir technisch erfolgreich sind, kann dieses Projekt die breitere Kommerzialisierung der Brennstoffzellentechnologie stark beschleunigen“, bringt es Strasser auf den Punkt.

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