Die Chance, dass PEM-Brennstoffzellen eine wichtige Rolle bei der Dekarbonisierung des Verkehrs spielen können, ist gestiegen: Forscher:innen vom Los Alamos National Laboratory (LANL) haben eine neuartige Elektrode entwickelt, diese ist nicht glatt, sondern geriffelt. Wie es heißt, könnte sie die Nachteile der Zelle ausgleichen, denn die Zelle ist nicht nur teuer in der Herstellung, sie hat auch eine zu geringe Lebensdauer. Beides könnte mit der entwickelten Elektrode verbessert werden. Ihre geriffelte Oberfläche erleichtert den Transport von Sauerstoff und Protonen, den Atomkernen von Wasserstoff, in den Zellen. Die Forschungsergebnisse erschienen kürzlich im Fachjournal Nature Energy.
Sauerstoff und Protonen könnten Wende bringen
"Es ist ein wenig überraschend, dass Elektroden 30 Jahre nach der Erfindung der PEM-Brennstoffzelle im Wesentlichen immer noch die gleiche Struktur aufweisen wie damals", wundert sich der LANL-Materialwissenschaftler und beteiligte Entwickler Jacob Spendelow. "Deshalb machten wir uns daran, die Struktur neu zu gestalten und verwendeten einen rationalen Designansatz, um sowohl den Sauerstoff- als auch den Protonentransport zu beschleunigen."
Die von Spendelow und seinen Kolleg:innen entworfenen Elektroden weisen zahlreiche mikroskalige Rillen auf, die vor allem aus einem kohlenstoffgestützten Platinkatalysator bestehen, der durch leere Vertiefungen getrennt ist. "Herkömmliche Elektroden erfordern einen gemischten Transport von Sauerstoff und Protonen durch alle Teile der Elektrode, was einige Designkompromisse erfordert, da die protonenleitende Membran den Sauerstofftransport behindert", erklärt Spendelow.
Signifikante Steigerung der Leistung
"Im Gegensatz dazu ermöglicht das Design der gerillten Elektrode eine Trennung des Sauerstoff- und Protonentransports, so dass die Rillen für den Sauerstofftransport, die Rippen für den Protonentransport optimiert werden können", so der Forscher weiter. Dies ermögliche schnelleren Transport und höhere Leistung. "Das Leistungsplus lag bei 50 Prozent. Nach ersten Erfahrungen scheint auch die Lebensdauer der neuen Elektroden länger zu sein. Ehe sie eingesetzt werden können, muss aber noch ein kostengünstiger Produktionsprozess entwickelt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Zellen) enthalten eine protonenleitende Membran auf Basis von Polymermaterialien, die als Elektrolyt dient. Sie trennt die beiden Elektroden. Durch diese Anordnung strömen im rechten Winkel zueinander Luft beziehungsweise reiner Sauerstoff und Wasserstoff. Innerhalb der Zelle reagieren sie miteinander und produzieren elektrische Energie und Wärme.
www.lanl.gov
Kommentar schreiben