{"id":62155,"date":"2020-08-31T08:49:13","date_gmt":"2020-08-31T06:49:13","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=62155"},"modified":"2020-09-12T15:38:56","modified_gmt":"2020-09-12T13:38:56","slug":"brennstoffzellen-fuer-wasserstoff-fahrzeuge-werden-langlebiger","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/brennstoffzellen-fuer-wasserstoff-fahrzeuge-werden-langlebiger\/","title":{"rendered":"Brennstoffzellen f\u00fcr Wasserstoff-Fahrzeuge werden langlebiger"},"content":{"rendered":"\n

Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universit\u00e4t Bern<\/a> ist es gelungen, einen dadurch deutlich stabileren Elektrokatalysator f\u00fcr Wasserstoff-Brennstoffzellen zu entwickeln, der im Gegensatz zu den heute \u00fcblichen Katalysatoren ohne Kohlenstofftr\u00e4ger auskommt. <\/p>\n\n\n\n

Das neue Verfahren ist industriell anwendbar und kann zur weiteren Optimierung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen ohne CO2<\/sub>-Aussto\u00df genutzt werden.<\/p>\n\n\n\n

Brennstoffzellen gewinnen als Alternative zur batteriebetriebenen Elektromobilit\u00e4t im Schwerverkehr an Bedeutung, insbesondere da Wasserstoff ein CO\u2082-neutraler Energietr\u00e4ger ist, wenn er aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird. F\u00fcr eine effiziente Arbeitsweise ben\u00f6tigen Brennstoffzellen einen Elektrokatalysator, der die elektrochemische Reaktion, bei der der Strom erzeugt wird, verbessert. Die heute standardm\u00e4\u00dfig daf\u00fcr eingesetzten Katalysatoren aus Platin-Kobalt-Nanopartikeln besitzen gute katalytische Eigenschaften und ben\u00f6tigen nur so wenig wie n\u00f6tig an seltenem und teurem Platin. Damit der Katalysator in der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, muss er \u00fcber eine Oberfl\u00e4che mit sehr kleinen Platin-Kobalt-Partikeln im Nanometer-Bereich verf\u00fcgen, die auf ein leitf\u00e4higes Tr\u00e4germaterial aus Kohlenstoff aufgetragen wird. Da die kleinen Partikel und auch der Kohlenstoff in der Brennstoffzelle Korrosion ausgesetzt sind, verliert die Zelle mit der Zeit an Effizienz und Stabilit\u00e4t.<\/p>\n\n\n\n

Einem internationalen Team unter Leitung von Professor Matthias Arenz vom Departement f\u00fcr Chemie und Biochemie (DCB) der Universit\u00e4t Bern ist es nun gelungen, mittels eines speziellen Verfahrens einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstofftr\u00e4ger herzustellen, der im Gegensatz zu bestehenden Katalysatoren aus einem d\u00fcnnen Metallnetzwerk besteht und dadurch langlebiger ist. \u00abDer von uns entwickelte Katalysator erreicht eine gro\u00dfe Leistungsf\u00e4higkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei h\u00f6herer Temperatur und hoher Stromdichte\u00bb sagt Matthias Arenz. Die Resultate wurden im Fachjournal Nature Materials<\/em> publiziert. Die Studie ist eine internationale Zusammenarbeit des DCB unter anderen mit der Universit\u00e4t Kopenhagen und dem Leibniz-Institut f\u00fcr Plasmaforschung und Technologie, bei der auch die Infrastruktur der Swiss Light Source (SLS) am Paul Scherrer Institut zum Einsatz kam.<\/p>\n\n\n\n

Die Brennstoffzelle \u2013 direkte Stromgewinnung ohne Verbrennung<\/h5>\n\n\n\n

In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle werden Wasserstoff-Atome aufgespalten, um daraus direkt elektrischen Strom zu erzeugen. Daf\u00fcr wird Wasserstoff einer Elektrode zugef\u00fchrt, wo er in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen aufgespalten wird. Die Elektronen flie\u00dfen \u00fcber die Elektrode ab und erzeugen au\u00dferhalb der Zelle elektrischen Strom, der beispielsweise einen Fahrzeugmotor antreibt. Die Protonen durchqueren eine Membran, die nur f\u00fcr Protonen durchl\u00e4ssig ist, und reagieren auf der anderen Seite an einer zweiten, mit einem Katalysator (hier aus einem Platin-Kobaltlegierungsnetzwerk) beschichteten, Elektrode mit Sauerstoff aus der Luft, wodurch Wasserdampf erzeugt wird. Dieser wird \u00fcber den \u00abAuspuff\u00bb abgef\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Die wichtige Rolle des Elektrokatalysators<\/h5>\n\n\n\n

Damit die Brennstoffzelle Strom produziert, m\u00fcssen beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein. Ohne Katalysator w\u00fcrden die chemischen Reaktionen nur sehr langsam ablaufen. Dies gilt insbesondere f\u00fcr die zweite, die Sauerstoffelektrode. Doch die Platin-Kobalt-Nanopartikel des Katalysators k\u00f6nnen beim Betrieb in einem Fahrzeug \u00abzusammenschmelzen\u00bb. Dies verringert die Oberfl\u00e4che des Katalysators und damit die Leistungsf\u00e4higkeit der Zelle. Zudem kann der Kohlenstoff, der \u00fcblicherweise verwendet wird, um den Katalysator zu befestigen beim Einsatz im Stra\u00dfenverkehr korrodieren. Dies beeintr\u00e4chtigt die Lebensdauer der Brennstoffzelle und somit des Fahrzeugs. \u00abUnsere Motivation war es daher, einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstofftr\u00e4ger herzustellen, der dennoch leistungsf\u00e4hig ist\u00bb, erkl\u00e4rt Matthias Arenz. Vorherige, \u00e4hnliche Katalysatoren ohne Tr\u00e4germaterial verf\u00fcgten bisher immer nur \u00fcber eine reduzierte Oberfl\u00e4che. Weil die Gr\u00f6\u00dfe der Oberfl\u00e4che entscheidend ist f\u00fcr die Aktivit\u00e4t des Katalysators und somit seine Leistungsf\u00e4higkeit, waren diese f\u00fcr den industriellen Einsatz weniger geeignet.<\/p>\n\n\n\n

Technologie ist industriell einsetzbar<\/h5>\n\n\n\n

Die Idee konnten die Forschenden dank eines speziellen Verfahrens, der Kathodenzerst\u00e4ubung (\u00abSputtern\u00bb) in die Tat umsetzen. Bei dieser Methode werden einzelne Atome eines Materials (hier Platin bzw. Kobalt) durch Beschuss mit Ionen herausgel\u00f6st (zerst\u00e4ubt). Die herausgel\u00f6sten gasf\u00f6rmigen Atome kondensieren anschlie\u00dfend als haftende Schicht. \u00abMit dem speziellen Sputterverfahren und anschlie\u00dfender Behandlung kann eine sehr por\u00f6se Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine gro\u00dfe Oberfl\u00e4che gibt und gleichzeitig selbsttragend ist. Ein Kohlenstofftr\u00e4ger ist somit \u00fcberfl\u00fcssig\u00bb, so Dr. Gustav Sievers, Studien-Erstautor vom Leibniz-Institut f\u00fcr Plasmaforschung und Technologie.<\/p>\n\n\n\n

\u00abDiese Technologie ist industriell skalierbar und kann somit auch f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Produktionsvolumen beispielsweise in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden\u00bb, sagt Matthias Arenz. Mit dem Verfahren kann die Wasserstoff-Brennstoffzelle weiter f\u00fcr den Einsatz im Stra\u00dfenverkehr optimiert werden. \u00abUnsere Erkenntnisse sind somit von Bedeutung f\u00fcr die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilit\u00e4tssektor f\u00fcr den Schwerverkehr\u00bb, sagt Arenz.<\/p>\n\n\n\n

Publikation: Sievers, Gustav W. et. al.: Self-supported Pt-CoO networks combining high specific activity with high surface area for oxygen reduction, in: Nature Materials, 24. August 2020<\/a>. <\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n
Quelle<\/h5>\r\n\n\n\n

Universit\u00e4t Bern 2020<\/a><\/p>\n

Diese Meldung teilen<\/div>