Forschung -

Multifunktionskatalysator bringt Brennstoffzelle auf Trab

Brennstoffzellen könnten nicht nur saubere und effiziente Fahrzeuge antreiben, aber leider ist diese Technologie in ihrem Fortschritt eher schleppend. Ein neuer Katalysator könnte diese Entwicklung jedoch sehr beschleunigen.

Der langsame Fortschritt beruht auf einem chemischen Flaschenhals, und zwar dem Verarbeiten des Sauerstoffs, eine wichtige Zutat, mit der Brennstoffzellen Elektrizität erzeugen.

Der neue Katalysator, ein Nanotechnologiematerial, das von Experten am Georgia Institute of Technology entwickelt wurde, beschleunigt die Sauerstoffverarbeitung und befindet sich im Mittelpunkt einer neuen Studie.

Um diesen Nachteil des Sauerstoffs etwas zu kompensieren, erfordern Brennstoffzellen in der Regel reinen Wasserstoff, der mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft reagiert. Aber die Herstellung von Wasserstoff ist untragbar. Der neue Katalysator ist daher potenziell ein "Game Changer".

"Der neue Katalysator kann chemischen Brennstoff mit hoher Effizienz in Elektrizität umsetzen," sagte Professor Meilin Liu von der 'School of Material Science and Engineering'.

"Der Katalysator kann jederzeit verfügbare Brennstoffe, wie Methan oder Erdgas oder Wasserstoff wesentlich besser nutzen."

Der Katalysator erreicht seine Effizienz dadurch, dass er Sauerstoff durch eine Brennstoffzelle beschleunigt transportiert. Er ist mehr als 8-mal schneller als aktuelle Materialien, die die gleiche Funktion ausüben.

Es gibt einige wenige Brennstoffzellentypen, aber die Forscher arbeiteten an der Verbesserung einer Sauerstoff-Feststoff-Brennstoffzelle, die bereits in wenigen Fahrzeugprototypen vorhanden ist.

Die Forschungsergebnisse könnten auch zu der Verbesserung von Superkondensatoren und Solarzellen beitragen. Der Forschungsbericht erschien in "Joule".

In den normalen Verbrennungsmotoren kommt Brennstoff aus dem Tank mit Sauerstoff zusammen und reagiert mit einer Explosion. Ein zusätzlicher Turbocharger beschleunigt diesen Prozess.

Derzeit kommen in einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff zusammen und produzieren in diesem Fall Elektrizität. Diese Reaktion ist von der im Verbrennungsmotor sehr unterschiedlich und wesentlich sauberer.

Ein Ende der Brennstoffzelle, die Anode, entfernt Elektronen von den Wasserstoffatomen (Oxidation) und schickt die Elektronen durch eine externe Schaltung als elektrischen Strom zur Kathode auf der anderen Seite.

Dort saugt der Sauerstoff, der bekanntlich elektronenhungrig ist, die Elektronen auf (Reduktion) und hält so den Elektrizitätsfluss aufrecht. Der nun positiv geladene Wasserstoff und der negativ geladene Sauerstoff formen Wasser, das Abfallprodukt der Brennstoffzelle.

In dieser Reaktionskette ist der Sauerstoff gleich zweimal die langsame Verbindung. Die Sauerstoffreduktion braucht länger als die Wasserstoffoxidation und der reduzierte Sauerstoff bewegt sich in Richtung Wasserstoff langsamer durch das System. Der neuer Katalysator drückt den Sauerstoff vorwärts - ähnlich einem Turbocharger.

Der Katalysator ist eine glatte und etwa 25 nm dünne Beschichtung und besteht aus zwei verbundenen Nanotechnologielösungen, die beide Nachteile des Sauerstoffs überwinden.

Zuerst einmal sind Nanopartikel auf Sauerstoff sehr anziehend. Sie ergreifen die O2-Moleküle und lassen ankommende Elektronen schnell auf sie springen, wodurch sie schnell reduziert und in zwei separate Sauerstoffionen aufgeteilt werden (jedes ist ein O2-).

Dann erfasst eine Serie von chemischen Zwischenräumen, genannt Sauerstoffvakanzen, die sich in den Strukturen der Nanopartikel befinden, die Sauerstoffionen wie eine Staubsaugerkette und leiten sie zur zweiten Phase des Katalysators.

Die zweite Phase besteht aus einer Beschichtung, die voll mit Sauerstoffvakanzen ist, die O2- noch schneller der Endstation zuführt.

Die erste Katalysatorstufe enthält zwei unterschiedliche Nanopartikel. Beide verfügen über Kobalt, aber eines hat Barium und das andere Praseodym, ein relativ teures Metall der Seltenen Erden, dessen Kosten aber aufgrund der geringen Mengen nicht zu Buche schlagen sollten.

Die zweite Stufe des Katalysators ist ein Gitterwerk aus Praseodym, Barium, Kalzium und Kobalt (PBCC). Neben der Katalysatorfunktion schützt die PBCC-Beschichtung die Kathode vor einer Verschlechterung.

Das zugrunde liegende originale Kathodenmaterial besteht aus den Metallen Lanthan, Strontium Kobalt und Eisen (LSCF). Es ist inzwischen zwar ein Industriestandard, aber es hat einen Nachteil.

Liu: "Es ist sehr leitend und sehr gut, aber das Problem besteht darin, dass das Strontium einer Verminderung oder Entmischung im Material unterliegt. Eine Komponente unseres PBCC-Katalysators agiert als eine Beschichtung und hält damit das LSCF weitaus stabiler."

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