Forschung -

Herstellungskosten für Brennstoffzellen fallen schnell

Potenziell können Brennstoffzellen eine saubere und effiziente Energiequelle für Fahrzeuge, Computer und Energiestationen sein, aber deren Herstellungskosten limitieren deren Anwendung. Denn die Schlüsselkomponente der meisten Brennstoffzellen ist ein Katalysator, der aus dem wertvollen Metall Platin gefertigt wird.

In einem Bericht in "Small" beschreiben Forscher von der University of California, Riverside (UCR), die Entwicklung eines kostengünstigen und effizienten Katalysatormaterials für den Brennstoffzellentyp PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), der die chemische Energie des Wasserstoffs in Elektrizität umsetzt. Die PEMFC soll zu den aussichtsreichsten Brennstoffzellentypen gehören.

Der neue UCR-Katalysator besteht aus porösen Kohlenstoff-Nanofasern, eingebettet mit einer Materialverbindung, die aus einem reichlich vorhandenen Metall, wie Kobalt, besteht, das mehr als 100-mal billiger ist als Platin.

Geleitet wurde dieses Forschungsprojekt von Professor David Kisailus im Bereich 'Energy Innovation' im College of Engineering.

Brennstoffzellen, die bereits von einigen Fahrzeugherstellern verwendet werden, bieten gegenüber herkömmlichen Verbrennungstechnologien unter anderem höhere Effizienz, ruhigere Funktion und geringere Emissionen. Wasserstoff-Brennstoffzellen emittieren nur Wasser.

Wie Batterien sind auch Brennstoffzellen elektrochemische Systeme, die aus positiven und negativen Elektroden bestehen, zwischen denen sich ein Elektrolyt befindet.

Sobald ein Wasserstoffbrennstoff in die Anode eingeführt wird, trennt der Katalysator die Wasserstoffmoleküle in positiv geladene Partikel (Protonen) und negativ geladene Partikel (Elektronen).

Die Elektronen wandern durch eine externe Schaltung und vereinigen sich dann wieder mit den positiv geladenen Wasserstoffionen und Sauerstoff und formen Wasser.

Mit dem Elektrospinnen fabrizierten die Forscher papierdünne Blätter aus Kohlenstoffnanofasern, in denen sich Metallionen befinden - entweder Kobalt, Eisen oder Nickel.

Durch Aufheizen formten die Ionen ultradünne Nanopartikel aus Metall, die die Transformation von Kohlenstoff in grafitischen Kohlenstoff hoher Performance katalysierten.

Danach wurden die Metallnanopartikel und der restliche nichtgrafitische Kohlenstoff oxidiert. Daraus ergab sich ein hochporöses und anwendbares Netz aus Metalloxid-Nanopartikeln, verteilt in einem porösen Grafitnetz.

In Zusammenarbeit mit Kollegen von der Stanford University, konnte das UCR-Forscherteam feststellen, dass die neuen Materialien genauso gut funktionierten wie die standardisierten Platin-Kohlenstoffsysteme, aber bei einem Bruchteil der Kosten.

Die Forscher wiesen auf einen weiteren Vorteil der katalytischen Nanoverbindung hin, der darin besteht, dass die grafitische Faser nicht nur als Brennstoffzellenkatalysator funktioniert, sondern potenziell auch als eine Strukturkomponente verwendet werden kann.

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