Bessere Brennstoffzellen

Eine neue Methode zur Herstellung von Materialien mit einer Breite von nur wenigen Atomen soll Brennstoffzellen für Fahrzeuge ermöglichen, die nicht auf den komplexen Treibstoff Wasserstoff angewiesen sind. Die neuen Brennstoffzellen wären kleinere, für niedrigere Temperaturen geeignete Varianten der Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die ursprünglich für feststehende Systeme wie Kraftwerke entwickelt wurde. Das US-Start-up Sienergy Systems will die an der Harvard University entstandene Technologie vermarkten. In einer ersten Frühphasenfinanzierungsrunde sammelte die Firma eine halbe Million Dollar ein.

Die Synthesemethode wurde von Shriram Ramanathan entwickelt, einem Harvard-Professor für Materialwissenschaften. Sie wirft qualitativ hochwertige Festoxid-Elektrolyte ab, die nur 25 Nanometer breit sind – ein Tausendstel der Breite von Elektrolyten, die in konventionellen SOFCs stecken. Durch diese Dünnheit laufen die Brennstoffzellen mit 300 Grad Celsius – wesentlich kühler als die 800 bis 1000 Grad in normalen SOFCs. Durch die niedrigere Temperatur spart man Kosten beim Material und kann sie leichter in Fahrzeuge und tragbare Generatoren einbauen.

Verschiedene große Autohersteller entwickeln Brennstoffzellen, doch das sind zumeist Protonen-Austausch-Membran-Systeme, die nur auf Wasserstoff-Basis laufen, sagt Harry Tuller, Professor für Keramiksysteme und elektronische Materialien am MIT, der ebenfalls SOFCs entwickelt, die mit niedrigeren Temperaturen laufen. Wasserstoff hat eine Anzahl von Nachteilen – es muss aus Quellen wie Erdgas oder Wasser gewonnen werden, was viel Energie kostet und typischerweise CO₂ freisetzt. Außerdem ist Wasserstoff ein Gas, das sich nur schlecht lagern lässt. Die notwendige Infrastruktur zur Anlieferung fehlt fast vollständig.

Festoxidbrennstoffzellen könnten eine bessere Alternative sein. Sie laufen mit Wasserstoff, schlucken aber auch Erdgas, Diesel und andere flüssige Brennstoffe. Läuft die Zelle mit Erdgas, das sonst für die Wasserstoffproduktion eingesetzt würde, fällt ein energieintensiver Zwischenschritt weg.

Das Hauptproblem bei der Verwendung von SOFCs war bislang die hohe Temperatur, mit der sie liefen. Um damit arbeiten zu können, sind teure Materialien notwendig. Außerdem dauert es recht lange, bis die Zellen anlaufen – und sie lassen sich nur schwer für mobile Anwendungen nutzen. Das führte dazu, dass immer mehr Wissenschaftler auf der ganzen Welt nach Methoden suchten, die Betriebstemperatur solcher Zellen zu senken. Einige wie Tuller und Fritz Prinz, Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Stanford University, konnten schon Prototypen zeigen, die bei wenigen Hundert Grad liefen. Ein MIT-Spinoff namens Lilliputian Systems entwickelt ebenfalls portable SOFCs – allerdings sagt die Firma nicht, ob es sich um Niedrigtemperatur-Zellen handelt. Ramanathan zeigte selbst einfache SOFCs in Temperaturbereichen von 300 bis 500 Grad. Mit der neuen Synthetisierungsmethode will er nun Zellen schaffen, die auch gut bei 200 Grad arbeiten.

Der größte Vorteil seiner Methode ist, dass die Herstellung der Zellen auch bei Raumtemperatur funktioniert. Normalerweise benötigt die Produktion von Oxiden mit dieser Kristallstruktur hohe Temperaturen, um eine gute Ausbeute zu erzielen. Ramanathan setzt hingegen grundsätzlich auf die Energie in ultravioletten Photonen, um Wärmeenergie zu sparen – das Ultraviolett schafft Wasserstoffradikale, die mit Metallen reagieren, um Oxide zu bilden. Die geringe Temperatur erlaubt es, die Materialstruktur besser zu kontrollieren, was auch die Schnittstelle zwischen den einzelnen Schichten der Brennstoffzelle verbessert – etwa der Übergang, an dem Elektrolyt und Elektroden aufeinander treffen, erläutert Evgeni Gusev, Direktor für Forschung und Entwicklung bei Qualcomm MEMS im kalifornischen San Jose. "Normalerweise muss man hohe Temperaturen anlegen, was zu echten Schäden führt."

Diese Schäden können unter anderem die gegenseitige Durchdringung von nebeneinander liegenden Materialien bedeuten, deren elektrische Eigenschaften sich dadurch verändern. Verunreinigungen an Schnittstellen haben laut Tuller ebenfalls große Auswirkungen. Er habe in seinen Studien bereits demonstrieren können, dass gute Schnittstellen die Brennstoffzellenleistung um das Tausendfache erhöhen können.

Bis jetzt hat Ramanathan nur rudimentäre Brennstoffzellen gebaut, um zu demonstrieren, dass seine Methode funktioniert. Im nächsten Jahr will er Prototypen entwickeln, die aus Brennstoffzellenstapeln bestehen, die mehr Strom erzeugen können. Nach der Vorführung qualitativ hochwertiger Elektrolyte konzentriert er sich nun darauf, seine Technik zur Produktion von qualitativ hochwertigen Elektroden-Oxiden anzuwenden. Eine weitere Herausforderung liegt schließlich darin, die verbesserten Materialien in ein gemeinschaftliches "Paket" zu kombinieren, das dann auch ausreichend Strom produzieren kann. (bsc)