Würenlingen
PSI-Mitarbeiter forschen im Dienste der Natur

Am PSI in Würenlingen wird an der Energiequelle der Zukunft geflorscht. Brennstoffzellen könnten dank einer Neuentwicklung, an der auch das PSI beteiligt ist, umweltfreundlicher werden.

Leonid Leiva
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Thomas Justus Schmidt (links), Leiter des Labors für Elektrochemie, und Rüdiger Kötz, Leiter der Gruppe für Elektrokatalyse und Grenzschichten, waren für die Entwicklung des neuen Aerogel-Katalysators am PSI verantwortlich. Markus Fischer/Paul-Scherrer-Institut

Thomas Justus Schmidt (links), Leiter des Labors für Elektrochemie, und Rüdiger Kötz, Leiter der Gruppe für Elektrokatalyse und Grenzschichten, waren für die Entwicklung des neuen Aerogel-Katalysators am PSI verantwortlich. Markus Fischer/Paul-Scherrer-Institut

Das Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Würenlingen erforscht und entwickelt seit mehr als 10 Jahren Brennstoffzellen, die das Potenzial haben, die individuelle Mobilität in eine umweltfreundliche Zukunft zu führen. Erste Praxistests haben deren erfolgreichen Einsatz in Autos und Bussen demonstriert. Weitere Forschung bleibt jedoch nötig, um ihre Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Ein internationales Forscherteam mit PSI-Beteiligung hat nun ein neues Nanomaterial hergestellt, das Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit dieser Brennstoffzellen um ein Vielfaches erhöhen könnte – bei gleichzeitiger Senkung der Materialkosten.

Gesucht: Trägerlose Katalysatoren

In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle wird Wasserstoff durch elektrochemische Reaktionen zu Strom und Wasser umgewandelt. Ein wichtiger Schritt in diesen Reaktionen ist die Sauerstoff-Reduktion an der positiven Elektrode der Zelle. In die Zelle eingespeiste Sauerstoffmoleküle werden dabei zu Wasser umgewandelt. Diese Reaktion geht unter normalen Bedingungen nur sehr langsam vor sich, weshalb Katalysatoren notwendig sind, um die Umwandlung zu beschleunigen. Seit langem suchen Forscher nach Katalysatoren für die Sauerstoff-Reduktion, die ohne Träger auskommen und eine gute Langzeitstabilität aufweisen.

Fünfmal weniger Platin nötig

Ein international zusammengesetztes Forscherteam mit Beteiligung des PSI hat nun einen grossen Fortschritt erzielt. Mit einem dreidimensionalen Aerogel aus einer Platin-Palladium-Legierung konnten die Forschenden die katalytische Aktivität für die Sauerstoff-Reduktion einer Wasserstoff-Brennstoffzelle im Vergleich zu marktüblichen Katalysatoren um das Fünffache erhöhen. Das bedeutet, dass nun mit nur einem Fünftel der Edelmetallmenge die gleiche Sauerstoffmenge umgesetzt werden kann. Könnte man diese Reduktion der erforderlichen Platinbeladung auf industrielle Skala übertragen, hätte das eine erhebliche Senkung der Herstellungskosten für diese Brennstoffzellen zur Folge. Das Aerogel, eine Art nanostrukturierter Schaumstoff, hat Langzeittests im Labor bestanden, bei denen die typischen Betriebsbedingungen in einem Fahrzeug simuliert wurden.

Luftiges Geflecht aus Nanodrähten

Das nun von Forschern der Technischen Universität Dresden und des PSI entwickelte Aerogel bildet ein dreidimensionales Netzwerk aus Nanodrähten und zeichnet sich durch eine sehr hohe Porosität und innere Oberfläche aus. Diese Eigenschaften erleichtern das Andocken vieler Sauerstoffmoleküle an die Platinatome – eine Voraussetzung für die effiziente Umwandlung des Sauerstoffs.

Hohe Porosität und grosse Oberflächen treten auch bei den Katalysatoren auf, die bereits heute in Brennstoffzellen verwendet werden, jedoch nur, wenn Platinpartikel auf Kohlenstoff geträgert sind. Der entscheidende Vorteil des neuen Aerogels liegt darin, dass es diese Vorzüge mit einer ausgedehnten, dreidimensionalen Struktur kombiniert, was einen Träger komplett überflüssig macht.

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