Turbo-Katalysator für mehr Strom in Brennstoffzelle

Mit einem neuen Katalysator können Brennstoffzellen noch schneller Strom produzieren. Das ist beispielsweise wichtig, wenn sie Elektroautos mit Energie versorgen sollen. Wenn plötzliches Beschleunigen nötig ist, steht immer genügend Strom zur Verfügung. Den Katalysator haben der Materialwissenschaftler Professor Meilin Liu von der Hochschule Georgia Tech und sein Doktorand Yu Chen entwickelt. [...]

Professor Meilin Liu (links) und Yu Chen präsentieren im Labor eine mit dem Katalysator beschichtete Scheibe.
Professor Meilin Liu (links) und Yu Chen präsentieren im Labor eine mit dem Katalysator beschichtete Scheibe. (c) Georgia Tech / Christopher Moore

Heutige Brennstoffzellen sind relativ schwerfällig, was die Stromerzeugung betrifft. Das liegt an einem chemischen Engpass. Die Versorgung der Zelle mit Sauerstoff aus der Luft, den diese benötigt, um Strom zu erzeugen, ist eher schleppend. An der Anode werden dem Wasserstoff Elektronen entzogen – man spricht von Oxidation. Diese fließen durch einen externen Stromkreis und versorgen so einen Verbraucher, den Motor eines Elektrofahrzeugs beispielsweise. Sie landen an der Kathode. Dort nimmt Sauerstoff die Elektronen auf, der Stromkreis schließt sich. Der jetzt positiv geladene Wasserstoff und der negativ geladene Sauerstoff vereinigen sich zu Wasser.

In dieser Kette ist Sauerstoff das Hindernis. Wasserstoff ist in der Lage, Elektronen so schnell abzugeben, dass der Sauerstoff mit der Aufnahme nicht mitkommt. Er ist achtmal langsamer. Der neue Katalysator wirkt wie ein Turbolader in einem Verbrennungsmotor. Er sorgt dafür, dass mehr Sauerstoff in den Zylindern landet, sodass die Leistung letztlich signifikant steigt.

Zweigeteilter Nano-Kat

Der neue Kat basiert, wie so viele technische Fortschritte, auf der Nanotechnologie. Es ist ein zweistufiger Prozess. Zunächst sorgt der Katalysator dafür, dass Sauerstoff Elektronen, die der Wasserstoff auf der anderen Seite des Stromkreises liefert, schnell aufsaugt. Es entstehen negativ geladene Ionen, die sich in der Struktur der Nanopartikel einnisten. Von dort aus gelangen sie zu ihrer Endposition und vereinigen sich mit Wasserstoffionen.

„Der Sauerstoff bewegt sich sehr schnell und dringt in die Brennstoffzelle ein. Dort trifft er auf ionisierten Wasserstoff„, so Liu von der Georgia-Tech-Hochschule. Oder auf Methanmolküle, wenn die Brennstoffzelle damit versorgt wird. In diesem Fall entsteht allerdings nicht nur Wasser, sondern auch Kohlendioxid. Die Nanopartikel sind zweigeteilt. Beide basieren auf Kobalt, das in Sektion eins mit Barium und in Sektion zwei mit dem Seltenerdmetall Praseodym angereichert ist. Bisher wird das Element genutzt, um hochfeste Magnesiumlegierungen und Dauermagnete herzustellen.

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