Smartes Material für Brennstoffzellen regeneriert sich selber

Ein wichtiger Aspekt der Energiestrategie 2050 ist die vermehrt dezentrale Energieversorgung. Als Energielieferanten kommen unter anderem stationäre Brennstoffzellen in Frage, besonders die sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die mit einer Temperatur von bis zu 900 Grad arbeiten. Punkto Effizienz sind diese Kleinkraftwerke unschlagbar: Eine Brennstoffzelle kann einen Haushalt gleichzeitig mit Strom und Wärme beliefern, und dabei 95 Prozent der Energie im Brennstoff nutzbar machen. Demgegenüber erreicht die heutige Energieversorgung der Haushalte, die sich aus Netzstrom und fossilen Energieträgern speist, insgesamt eine Effizienz von lediglich 60 Prozent.

Dank ihrer hohen Effizienz stossen Hochtemperatur-Brennstoffzellen auch weniger CO₂ aus als die heute verbreiteten Energielieferanten. Der CO₂-Ausstoss lässt sich noch weiter senken, wenn als Brennstoff CO₂-neutrales Gas aus erneuerbaren Quellen wie Biomasse verwendet wird.

Bis anhin konnten sich jedoch Brennstoffzellen als Energiequelle nicht durchsetzen. Ein Problem ist ihre relativ kurze Lebensdauer, die die Geräte verteuert. Ausserdem sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen empfindlich auf Schwefelverbindungen, wie sie etwa in Biogas vorkommen. Daher werden solche Verunreinigungen zuerst aus dem Gas entfernt – das ist aufwändig.

Die Achillesferse der Hochtemperatur-Brennstoffzelle ist der Katalysator, der die Brennstoffmoleküle aufspaltet und so Wasserstoff für die energieerzeugende Reaktion freisetzt. Herkömmliche Katalysatoren vertragen wiederholtes An- und Abschalten schlecht, weil dabei der katalytisch aktive Bestandteil Nickel verklumpt und mit der Zeit seine Funktion verliert. Ähnlich wirkt sich auch die hohe Betriebstemperatur mit der Zeit schädigend aus.

Smarte Selbstheilung

An dieser Schwachstelle setzt die Arbeit der Forschenden der ZHAW an. Sie haben ein neuartiges Katalysatormaterial entwickelt, das über einzigartige «smarte» Eigenschaften verfügt. Das neue Material regeneriert sich selber, wenn der Brennstoff abwechselnd zugeschaltet (reduktive Bedingungen) und abgeschaltet wird (oxidative Bedingungen). Dieser Redox-Zyklus ist also nicht wie bei herkömmlichen Hochtemperatur-Brennstoffzellen für den Katalysator schädlich, sondern wirkt hier wiederbelebend. Das Nickel bleibt aufgrund eines neuentwickelten Herstellungsprozesses in feine Partikel verteilt und behält dadurch seine katalytische Funktion über lange Zeit. Zusätzlich funktioniert das Material nicht nur besser mit schwefelhaltigen Brennstoffen, sondern zeigt schon nach zwei Redox-Zyklen wieder die volle Leistung. Alle diese Vorteile verlängern die Lebensdauer des Katalysators beträchtlich. Nebenbei weist das neuartige Material noch ein weiteres attraktives Merkmal auf: Gegenüber bestehenden Brennstoffzellen senkt es den Bedarf an Nickel um 90 Prozent und verspricht so eine geringere Umweltbelastung.

Gut verwurzelt

Anders als bisher liegen im neu entwickelten Material die Nickelpartikel nicht auf dem Trägermaterial auf, sondern sind darin regelrecht verwurzelt. Die Forscher vermuten, dass dies den Katalysator stabilisiert und verhindert, dass das Nickel verklumpt.

Dafür verantwortlich ist vor allem ein neues Herstellungsverfahren. Dieses sorgt für eine hochreine und homogene Vermischung des Nickels mit den anderen Bestandteilen und verleiht dem Material seine «Selbstheilungskräfte». Diese smarten Eigenschaften – so konnten die Forschenden zeigen – bleiben auch in einem praxisnahen Versuchsaufbau erhalten.

Ein vielversprechender Anfang

Jedoch ist es bis zu einer Markteinführung noch weit, denn das neue Katalysatormaterial wird bislang noch in keiner Brennstoffzelle eingebaut. Denn für die Leistungsfähigkeit des kompletten Geräts spielen noch weitere Materialeigenschaften eine Rolle, besonders die elektrische Leitfähigkeit. Sie liegt gegenwärtig noch deutlich tiefer als bei herkömmlichen Katalysatoren. Eine Brennstoffzelle mit dem neuen Material in seiner jetzt verfügbaren Form würde deshalb noch eine ungenügende Leistung liefern.

Auch Marktmassnahmen sind nötig

Die Wissenschaftler weisen aber auch auf die Marktsituation hin, die derzeit für die Verbreitung von Brennstoffzellen-Anlagen ungünstig sei. So besteht in der Schweiz keine landesweite Förderung solcher Geräte, und der tiefe Strompreis mindert ihre Wirtschaftlichkeit. Zudem sei die Technologie und ihre Vorzüge bei den Konsumenten noch zu wenig bekannt.