MEILENSTEIN IN DER GDE-ENTWICKLUNG 3.000 Stunden ohne Potenzialverlust

Bild Forschungsprojekt

Was verbindet Brennstoffzellen, Metall/Luft-Batterien und Verbrennungsmotoren? Alle drei Technologien nutzen den in der Atmosphäre zur Verfügung stehenden Sauerstoff als Oxidationsmittel, der bei der Massenbilanz im Gegensatz zu den konventionellen geschlossenen Batterien nicht mitberücksichtigt wird.

Verbrennungsmotoren setzen die im Brennstoff enthaltene chemische Energie bei sehr hohen Temperaturen und Drücken direkt in mechanische Energie um, während in einer Brennstoffzelle bzw. Metall/Luft-Batterie der Brennstoff unter milden Bedingungen mit Hilfe eines Katalysators direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Vorgang wird als »kalte Verbrennung« bezeichnet.

Um den Reaktionsraum zu erweitern bzw. hohe Stromdichten zu erzielen, werden so genannte Gasdiffusionselektroden (GDE) mit einem dreidimensionalen porösen Reaktionsraum verwendet. Dank einer ausgewogenen Verteilung der hydrophilen und hydrophoben Bereiche und der Bildung einer Dreiphasengrenze fest/flüssig/ gasförmig am Katalysator kann der Sauerstoff im gasförmigen Aggregatzustand und in sehr hoher Konzentration an die Reaktionszentren gelangen.

Im Gegensatz zu der Protonen-Austauschermembran-Brennstoffzelle (PEMFC), die auf kostenträchtige Edelmetall-Katalysatoren wie z.B. Platin und Palladium angewiesen ist, werden in den alkalischen Systemen vergleichsweise günstige Oxidmaterialien verwendet.

Steigerung der Energieeffizienz und Stabilität

Auf Metalloxide basierende GDE haben bisher nur in wenigen Produkten, wie z.B. der primären alkalischen Zink/Luft-Knopfzelle für Hörgeräte, kommerzielle Anwendung gefunden. Eine Erweiterung des Produktspektrums auf wiederaufladbare Systeme ist zwar wünschenswert, aber sehr anspruchsvoll. Dies liegt vor allem an der noch niedrigen Lade/Entlade-Energieeffizienz der Zelle (< 60%) und an der unzureichenden Lebensdauer der GDE. Genau diese Aspekte werden am DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) untersucht.

Oxid-Katalysatoren besitzen in der Regel eine unzureichende elektrische Leitfähigkeit, die das Beimischen von Kohlenstoffen mit hoher Oberfläche (> 50 m²g-1) erfordert. Diese sind jedoch generell korrosionsanfällig.

Zur Steigerung der GDE-Zyklenfähigkeit wurden im Rahmen des AlSiBat-Projekts verschiedene Kohlenstoffe sowie bifunktionelle Perowskitoxid-Katalysatoren (LaCaCoO3 und BaSrCrFeO3) zu einer GDE gefertigt. Ihre Aktivität für die Sauerstoff-Reduktion (ORR) bzw. -Entwicklung (OER) unter Halbzelle-Bedingungen (ohne die Zn-Elektrode) wurde dabei untersucht. Überraschenderweise konnte die BSCF/C-GDE bei 10 mA cm-2 über 3.000 h ohne nennenswerten Potentialverlust betrieben werden und somit die Lebensdauer der Referenz LCC/C-GDE um das Zweifache übertroffen werden.

Hiermit setzt das DFI einen Meilenstein in der vorwettbewerblichen GDE-Entwicklung und ist auf der Suche nach potentiellen Kooperationspartnern. Die relevanten Ergebnisse sind in einem open-access Artikel publiziert worden.

Dr. Jean-Francois Drillet

Bildquelle(n):Fotolia, detshana

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