Niedertemperatur-Brennstoffzellen (PEM-BZ) setzen mit Hilfe von Edelmetall-Katalysatoren chemische Energie in elektrischen Strom um und werden für stationäre und mobile Anwendungen weltweit intensiv entwickelt. Als Hauptherausforderungen stehen u. a. die Reduzierung der Katalysatorbeladung und Optimierung der Kohlenstoffträger-Morphologie und -Beständigkeit im Vordergrund.
Die Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie der jeweiligen Wasserstoffoxidation und Sauerstoffreduktion herab. Insbesondere die Spaltung des Sauerstoffmoleküls in Gasdiffusionselektroden stellt, bedingt durch eine relativ hohe Bindungsenergie und die Bildung von Adsorbaten, eine große technische Herausforderung dar. Selbst bei der Verwendung eines sehr effzienten Katalysators wie Platin sind die Energieverluste bei der elektrochemischen Sauerstoffreaktion in der H2-PEM-Brennstoffzelle noch deutlich höher als die der Wasserstoffelektrode.
Um diese Technologie bezahlbar zu machen und damit den Markteintritt zu ermöglichen, müssen daher die thermodynamisch bedingten Verluste bei gleichzeitiger Reduzierung der Katalysatormasse bzw.-kosten noch drastisch gesenkt werden. Für automobile Anwendungen hat sich das Departement of Energy (DOE) eine Gesamtelektrodenbeladung von maximal 0,125 mgPGM1/kW als Ziel für 2020 gesetzt. Dies entspricht genau 10 g Platin für ein 80 kW/108 PS starken Pkw. Dieses Ziel ist dank der weltweit gebündelten Anstrengungen und Fortschritte in den letzten Jahren in greifbare Nähe gerückt. Das »Gra2Kat«-Konsortium3 beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von korrosionsbeständigen und leitfähigen Kohlenstoffen als Katalysatorträger für die H2-PEM-Brennstoffzelle.
Während sich die Arbeiten an der Uni Saarland auf graphenartige Strukturen konzentrieren, werden am DFI mesoporöse Kohlenstoffe mittels soft-template Routen hergestellt und anschließend mit stabilen Pt- bzw. Pt-Legierung-Katalysatoren beladen. Die Aufgabe des ZBT in Duisburg besteht darin, die jeweiligen Diffusions- und Reaktionsschichten mit optimierten Gradienten zu gestalten und anschließend die jeweiligen Materialien bezüglich ihrer Leistung und Stabilität in der Brennstoffzelle zu charakterisieren. Die ersten am DFI hergestellten Kohlenstoffpartikel sind oben dargestellt (Grafik in der pdf-Version sichtbar). Als anvisierte Parameter sind eine mittlere Partikelgröße von 50-150 nm und Porengrößenverteilung von 3-10 nm zu nennen.
1 PGM steht für Platingruppenmetalle
Dr.-Ing. Jean-François Drillet
Bildquelle(n): Nadine van der Schoot/ZBT GmbH
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