Wasserstoff-Brennstoffzellen Schichtarbeit für Wasserstoff: Dieses Potenzial steckt noch in Brennstoffzellen

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Wer Wasserstoff sagt, meint Brennstoffzellen meist mit – aber bisher stehen die teuren Materialien, die Lebensdauer und die vergleichsweise geringe Leistungsdichte dem Durchbruch der Technologie im Weg. Geht da noch mehr? Und wenn ja, wie?

Mit Brennstoffzellen betriebene Elektrofahrzeuge haben gegenüber batteriebetriebenen Fahrzeugen mehrere Vorteile. Sie können eine höhere Energiedichte erreichen (vor allem bei schweren Fahrzeugen), haben einen höheren Wirkungsgrad, wenn der Strom zum Aufladen der Batterien aus Wasserstoff gewonnen wird, und können im Vergleich zu Batterien ohne großen Leistungsbedarf aus dem Stromnetz betankt werden.

Die Hauptnachteile von Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge sind ihre Herstellungskosten, ihre begrenzte Lebensdauer und ihre relativ geringe Leistungsdichte im Vergleich zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen. Modellierung und Simulation bieten die Möglichkeit, diese Nachteile besser zu verstehen und zu überwinden.

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Die Kosten pro Zelle müssen runter – aber wie?

Die drei oben genannten Nachteile betreffen alle das mikroskopische Design der aktiven Schicht in den sauerstoffreduzierenden Gasdiffusionselektroden: der Kathode in der Brennstoffzelle. Auch wenn andere Designaspekte wichtig sind, ist das Design der aktiven Schicht ein Schlüsselaspekt für die Leistung der Brennstoffzelle.

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Die Minimierung der Herstellungskosten von Brennstoffzellen wird durch die Kosten des in der aktiven Schicht verwendeten Katalysators erschwert: Platin. Während die Herstellungskosten für fast alles andere in der Brennstoffzelle gesenkt werden können, ist es schwierig, die Kosten für Platin zu senken. Um die Herstellungskosten zu minimieren, ist es daher entscheidend, aktive Schichten zu entwickeln, die mit einer sehr geringen Katalysatorbeladung auskommen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Die Lebensdauer wird durch verschiedene Degradationsmechanismen wie Protonenreduktion, Platinauflösung, Kohlenstoffkorrosion, Bildung von Radikalen, die den Porenelektrolyten in der aktiven Schicht angreifen, Adsorption von Verunreinigungen an den Katalysatorstellen und Ansammlung von Verunreinigungen im Porenelektrolyten begrenzt.

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Die Begrenzung der Leistungsdichte wird hauptsächlich durch die begrenzte katalytische Aktivität der Kathode, der Sauerstoffelektrode, verursacht. Diese Aktivität kann durch eine höhere Katalysatorbeladung erhöht werden. Dies bedeutet jedoch höhere Kosten und eine kürzere Lebensdauer, da eine höhere Beladung eine höhere Stromdichte erfordert. (Ein Teil dieser Einschränkung kann durch den parallelen Einsatz mehrerer Brennstoffzellenstapel umgangen werden).

So gelingt die Simulation der aktiven Schicht einer Brennstoffzelle

Um das Design der aktiven Schicht einer Brennstoffzelle zu verbessern, müssen Ingenieure und Wissenschaftler die grundlegenden Transportphänomene, die Elektrodenkinetik, die Thermodynamik, die Elektrolytchemie und die katalytische Oberflächenaktivität verstehen, die an den Ladungstransferreaktionen in dieser Schicht beteiligt sind. Diese Faktoren müssen auf mikroskopischer Ebene verstanden werden.

Modellierung und Simulation bieten eine sehr effektive und einzigartige Möglichkeit, die relevanten Prozesse zu untersuchen. Obwohl es sehr schwierig ist, die während des Betriebs in der aktiven Schicht auftretenden Phänomene zu messen, können diese Phänomene detailliert modelliert und ihre Auswirkungen auf makroskopischer Ebene in so genannten Multiskalenmodellen modelliert werden. Experimente können entworfen werden, um die Auswirkungen des Mikrodesigns zu überprüfen.

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Ein Beispiel ist die Verknüpfung von physikalisch basierten Modellen für die Impedanzspektroskopie mit Messungen, wie in der Abbildung dargestellt. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern und Ingenieuren, Prozesse auf verschiedenen Zeitskalen zu trennen, z. B. Diffusion (langsam) und Stromleitung (schnell). Die Untersuchung der Faktoren, die die Reaktion auf Störungen auf verschiedenen Zeitskalen begrenzen, kann Aufschluss darüber geben, welcher Prozess die Leistung auf der Mikroskala begrenzt.

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Sobald diese Prozesse verstanden sind, können direktere Methoden eingesetzt werden. Ein Beispiel ist die Innovation, geordnete poröse Strukturen in der aktiven Schicht zu verwenden, um die Tortuosität zu verringern. Geordnete Strukturen können den Transport von Reaktanten erhöhen, den Zugang zur Katalysatoroberfläche verbessern und zu einer gleichmäßigen Stromdichteverteilung in der aktiven Schicht führen.

Das Ergebnis kann eine verbesserte Leistung sein, ohne dass eine höhere Platinbeladung erforderlich ist oder sich Wasser oder schädliche Nebenprodukte ansammeln, die die Leistung der aktiven Schicht im Laufe der Zeit beeinträchtigen können.

Modellierung und Simulation können nicht nur zur Erforschung neuer Ideen eingesetzt werden. Sobald ein gutes Design entwickelt wurde, können mathematische Modelle verwendet werden, um das Design und die Betriebsparameter weiter zu optimieren. Dieser Prozess ist iterativ und kann durch das Sammeln von Betriebsdaten weitgehend automatisiert werden.

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Jeder mikroskopische Teil einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel wird von der Konfiguration der einzelnen Zellen und des gesamten Stapels beeinflusst. Das bedeutet, dass die mikroskopischen Details nicht isoliert untersucht werden können, sondern mit den makroskopischen Faktoren, die eine Zelle beeinflussen können, gekoppelt werden müssen. Die Simulation einer Brennstoffzellen-Einzelzelle umfasst einen Wasserstoffkanal und einen Sauerstoffkanal, dazwischen die Elektroden und die Membran.

Jede Einzelzelle kann Teil eines Stapels sein, der an einen externen Stromkreis angeschlossen ist. Die Einheiten können mit geraden parallelen Kanälen oder mit gewundenen Kanälen ausgestattet sein. Moderne Brennstoffzellen, wie die des Toyota Mirai, können auch eine komplexere Struktur für die Sauerstoff- (Luft-) Gaszufuhr aufweisen. Hier sorgt eine lamellenartige Struktur dafür, dass das Wasser aufgrund der Schwerkraft nach unten, weg von der Kathode, fließt, während der Sauerstoff nach oben strömen kann.

Auf diese Weise wird der Transport von flüssigem Wasser in der Sauerstoffelektrode verbessert, was auch den Transport von Sauerstoff zur aktiven Schicht verbessert. Flüssiges Wasser in der porösen Elektrode behindert den Sauerstofftransport. Mit diesem Design konnte Toyota die Leistung seiner Brennstoffzelle deutlich steigern. Die Abbildung rechts zeigt schematisch, wie diese Lamellenstruktur aussehen könnte.

Wie die Simulation die H₂-Wende befeuert

Die Entwicklung von Brennstoffzellen und das Design der aktiven Schicht werden weiterhin zu einer geringeren Platinbelastung, einer längeren Lebensdauer und einer höheren Leistungsdichte führen. Diese Fortschritte sind zu einem großen Teil dem Verständnis, der Innovation und den Optimierungswerkzeugen der Modellierung und Simulation zu verdanken. Diese Werkzeuge ermöglichen auch die optimale Kombination von Brennstoffzellen, Batterien und Superkondensatoren, um Energie und Leistungsdichte zu niedrigen Kosten und mit maximaler Lebensdauer bereitzustellen. Bei der Verringerung der Treibhausgasemissionen und anderer Schadstoffe von Pkw, Bussen und Lkw werden Modellierung und Simulation auch in Zukunft eine wichtige Rolle spielen.

* Henrik Ekström, Technology Manager for Electrochemistry und Ed Fontes, Chief Technology Officer (Fontes), Comsol Gruppe

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