Brennstoffzelle: Nanostrukturierte Elektrode verlängert Haltbarkeit

Upton (USA)/Susono (Japan) – Lithiumionenakkus stehen bisher nahezu allein im Fokus als Stromquelle für Elektroautos. Doch auch das Potenzial von Brennstoffzellen ist nicht ausgereizt. Deshalb haben nun japanische und amerikanische Forscher einen Katalysator für die Nutzung von Wasserstoff zur Stromgewinnung entwickelt, der selbst nach 100.000 Reaktionszyklen kaum an Aktivität verliert. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichten, könnten auf dieser Basis sehr langlebige Brennstoffzellen für mobile Anwendungen konstruiert werden.

„Stabilität ist eine der wichtigstens Bedingungen für die Elektrokatalysatoren in Brennstoffzellen für elektrisch angetriebene Fahrzeuge“, betont Kotaro Sasaki vom Brookhaven National Laboratory in Upton. Unterstützt von Entwicklern des japanischen Autobauers Toyota fertigte er einen Katalysator auf Platinbasis. Dazu beschichtete sein Team winzige Nanopartikel aus einer Palladium-Gold-Legierung mit einer extrem dünnen Schicht aus Platin. Eingesetzt in sogenannten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM) unterstützte dieser Katalysator die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, wobei elektrischer Strom gewonnen wurde.

Von großer Bedeutung für die Stabilität dieses Katalysators zeigte sich in ihren Versuchen der geordnete, nanostrukturierte Aufbau der Edelmetall-Partikel. In Tests lieferte der Brennstoffzellen-Prototyp elektrische Spannungen zwischen 0,6 und 1,4 Volt. Für höhere Betriebsspannungen mussten – wie allgemein üblich – mehrere Einheiten übereinander gestapelt werden. Selbst nach über 100.000 Reaktionszyklen sank die Effizient des Katalysators nur um acht Prozent ab. Zum Vergleich: Bisherige PEM-Brennstoffzellen lieferten nach der gleichen Belastung etwa 37 Prozent weniger Strom.

Dieser neue Typus eines nanostrukturierten Katalysators ist bisher noch nicht reif für eine breite Anwendung in kommerziell verfügbaren Brennstoffzellen. Dazu müssen die Fertigungsprozesse weiter optimiert werden. Doch trotz hoher Materialkosten für die verwendeten Edelmetalle könnten solche langlebigen Reaktionshelfer die Brennstoffzelle wieder als Alternative zum Lithiumionenakku als Stromquelle in Elektroautos ins Spiel bringen. Alternativ arbeiten andere Forschergruppen daran, für den Katalysator gänzlich auf teure Edelmetalle verzichten zu können. Allerdings hakt es bei diesen Ansätzen trotz guter Effizienzwerte im Labor noch an der Langzeitstabilität.