Im Synchrotron: Leistungsstarke Brennstoffzelle nutzt Nanokugeln
Am Brookhaven National Laboratory(öffnet im neuen Fenster) auf Long Island, USA, wurden die für Brennstoffzellen wichtigen Katalysatoren neu angeordnet. Dadurch konnten sowohl der Energieertrag pro Fläche als auch die Lebensdauer mindestens verdreifacht werden.
Bei der Lebensdauer ist das nicht ganz klar, denn nach Abschluss von 90.000 Zyklen, was etwa 25.000 Betriebsstunden entsprechen soll, trat noch immer keine Verschlechterung bei den elektrischen Eigenschaften ein. Die Studie mit allen Daten wurde in Nature Communications(öffnet im neuen Fenster) frei zugänglich veröffentlicht.
Gleiche Elemente, neu zusammengesetzt
Die Katalysatoren, die die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb der Brennstoffzelle verbessern, sind dabei ähnlich geblieben. Platin, dazu Eisen, Cobalt, Nickel, Kupfer und Stickstoff kommen jedoch als Hoch-Entropie-Legierung(öffnet im neuen Fenster) zum Einsatz.
Das bedeutet, dass sich die Atome, die zur Legierung gehören, innerhalb der atomaren Gitterstruktur regelmäßig abwechseln. Die Durchmischung der Element ist dadurch vielfach höher als bei normalen Legierungen. So lassen sich je nach der Auswahl der Elemente teils völlig neue Eigenschaften in einem Material hervorrufen. Die Nanokugeln aus der Speziallegierung, die umhüllt sind mit einer nur ein Atom dicken Platinschicht, zeigen sich dementsprechend perfekt für den Einsatz in Brennstoffzellen für Lkw.
Im Synchrotron untersucht
Außerdem ist sich das Forschungsteam sicher, die Ursache für die außergewöhnliche Leistungsfähigkeit auf subatomarer Ebene gefunden zu haben. Mit einem Synchrotron, das in der Forschungseinrichtung verfügbar ist, wurden Störungen in der Gitterstruktur entdeckt.
Im Gegensatz zu den Platinatomen sind die anderen Metalle verschoben, jeweils um weniger als die Länge eines Atomradius. Genau das soll zu der hohen Aktivität des Katalysators führen. Für Erstautorin Xueru Zhao ist es ein Beleg dafür, dass Grundlagenforschung direkte Auswirkungen auf industrielle Anwendungen haben kann.
Mobile Brennstoffzelle noch nicht ausgereift
Denn während sich Pkw bereits gut mit Brennstoffzellen antreiben lassen, bleibt die verfügbare Leistung begrenzt. So hat beispielsweise BMW in einen wasserstoffbetriebenen iX5 einen zusätzlichen Akku verbaut, der bei Bedarf die Antriebsleistung erhöht.
Auch die Betriebsdauer liegt bisher bei unter 10.000 Stunden in kompakten, mobilen Brennstoffzellen. Das ist zwar mehr als die typische Nutzungsdauer eines privaten Pkw, aber für industrielle Zwecke zu kurz.
Mit der Neuentwicklung könnte sich das ändern, so dass auch schweres Gerät mit einer kompakten Brennstoffzelle betrieben werden kann. Aber dafür müsste die Hoch-Entropie-Legierung sich in großem Maßstab bei überschaubaren Kosten herstellen lassen. Das dürfte noch ein wenig dauern.