Brennstoffzellen ohne Platin
Ein preiswerter Katalysator aus Nickel soll künftig deutlich günstiger Wasserstoff in Elektrizität verwandeln.
- Katherine Bourzac
Brennstoffzellen gelten als effizienter Weg, Wasserstoff in Elektrizität zu verwandeln. Sie benötigen allerdings teure Katalysatoren wie Platin, um den Wasserstoff in Ionen und elektrischen Strom zu spalten. Preiswertere Metalle können die stark saure Umgebung der Brennstoffzelle schlicht nicht aushalten. Chinesische Forscher haben nun eine Brennstoffzelle entwickelt, die ein neues Membranmaterial verwendet, das auch unter alkalischen Bedingungen gut arbeiten kann. Teure Katalysatoren sollen so nicht mehr notwendig sein. Der Energieoutput des Prototypen, der Nickel als Katalysator verwendet, ist bislang noch vergleichsweise gering, doch halten ihn Forscher für die erste Demonstration einer potenziell stark verbilligten Brennstoffzelle.
Konventionelle Brennstoffzellen bestehen aus zwei Elektroden, die von einem Platinkatalysator überzogen sind, der Wasserstoff in Protonen und Elektronen spaltet. Die beiden Elektroden werden von einer Polymermembran auseinander gehalten, die Protonen von der einen zur anderen Seite leitet. So entsteht extern nutzbarer elektrischer Strom. Die neue Brennstoffzelle, die von einem Forscherteam unter der Leitung des Chemieprofessors Lin Zhuang an der Wuhan University entwickelt wurde, nutzt nun eine neue Membran, die alkalische Ionen leiten kann, so genannte Hydroxylgruppen. Alkalische Brennstoffzellen arbeiten, in dem Wasserstoff und Sauerstoff reagieren, die dann Hydroxyl-Ionen und Wasser bilden. Die Reaktion wird bei der Wuhan-Zelle mittels einer Nickel-Anode katalysiert. Die Hydroxyl-Ionen werden dabei über die Polymermembran geleitet. Strom entsteht.
Die meisten Forscher haben sich bislang an sauren Brennstoffzellen versucht, weil Membranen, die unter solchen Bedingungen gut funktionieren, bereits seit längerem existieren. Eine stabile, Hydroxyl-Ionen-leitende Membran sei "der heilige Gral der Elektrochemie", sagt Robert Savinell, Professor für Chemieingenieurwesen an der Case Western Reserve University in Cleveland. Eine solche Membran würde es möglich machen, Brennstoffzellen und Batterien zu bauen, die keine Katalysatoren aus Edelmetallen mehr benötigen. Das billigere Nickel wäre dazu ausreichend.
Zhuangs Polymer ist von der Struktur her mit dem hochgradig leitfähigen Nafion vergleichbar, das in konventionellen sauren Brennstoffzellen seine Verwendung findet. Der Wuhan-Stoff dürfte allerdings billiger sein, weil Nafion noch mit Fluor-Gruppen verstärkt werden muss, um es vor den sauren Bedingungen zu schützen. Andere Forscher arbeiten an einer Verbesserung der Stromerzeugung und der Verringerung der Kosten für saure Brennstoffzellen, in dem sie Alternativen zu Nafion entwickeln. Aber auch hier bleibt dann der teure Katalysator noch notwendig.
Zhuangs Gruppe zeigte die neue Membran in einer alkalischen Brennstoffzelle, die eine Silberkatode und eine Wasserstoff-aufspaltende Nickel-Anode als Katalysator verwendete. Die Nickel-Katalysatoren in früheren alkalischen Brennstoffzellen waren nicht sehr effizient, weil sie schnell oxidierten. Deshalb wurden dort bislang die gleichen Platin-Bauteile verwendet wie bei sauren Brennstoffzellen. Das Wuhan-Forscherteam schuf nun eine Anode, die mit Nickel-Nanopartikeln überzogen ist. Daran angebracht ist Chrom, das die Oxidierung verhindern kann.
Der Energieoutput der neuen Brennstoffzelle – 50 Milliwatt pro Quadratzentimeter bei 60 Grad Celsius – ist noch eingeschränkt. Doch die erste Demonstration einer alkalischen Brennstoffzelle, die keine teuren Edelmetall-Katalysatoren braucht, ist ein wichtiger erster Schritt, glauben Beobachter. Brennstoffzellen müssten in Sachen Wirkungsgrad, Langzeitstabilität und Kosten noch einen weiten Weg zurücklegen, meint Frank DiSalvo, Professor an der Cornell University. "Diese Arbeit gibt den Forschern ein neues Werkzeug an die Hand, nach Materialien zu suchen, die diese Effizienz steigern."
Zhuang meint, dass er und seine Gruppe bereits erste Ideen hätten, den Stromoutput durch Verbesserungen bei Katalysator und Membran zu steigern. Auch wollen sie demnächst beweisen, dass die Technik eine ausreichende Langzeitstabilität hat. "Wir glauben, dass Katalysatoren mit einer höheren Aktivität und geringeren Kosten bald realisierbar sind." (bsc)
