Brennstoffzellen für die nachhaltige Mobilität

Elektroautos können ihren Strom nicht nur aus Batterien beziehen – auch Wasserstoff ist eine Energiequelle. In Brennstoffzellen kann dieser CO₂-frei in Strom verwandelt werden. Forschende haben die Brennstoffzellen optimiert und vermarkten die Ergebnisse auf einer Website.

Zusammenfassung des Forschungsprojekts «PEM-Brennstoffzellen».

Auf einen Blick

Mit Wasserstoff und Brennstoffzellen lässt sich Strom speichern und später wieder nutzen. Schweizer Forschende machen die Technologie nun noch effizienter.
Verluste innerhalb der Zellen können verringert werden, wenn Wasserstoff und Sauerstoff besser durch poröse Gasdiffusionsschichten transportiert werden können.
Forschende des PSI under ZHAW haben deshalb die Prozesse in den Poren auf mikroskopisch kleiner Skala studiert. Daraus entwickelten sie mathematische Modelle, die sie nun kommerziell vermarkten.

Ein wesentlicher Teil der Treibhausgasemissionen geht heute vom Strassenverkehr aus. Um die Klimaziele zu erreichen, müssen Autos und Lastwagen also von den fossilen Treibstoffen wegkommen und auf Elektroantrieb umstellen. Der Strom für die Motoren kann entweder aus Batterien kommen – oder aber aus mitgeführtem Wasserstoff. Dieser kann in sogenannten Brennstoffzellen in Strom verwandelt werden. Dabei entsteht als Abfallstoff nur reines Wasser – also kein Kohlendioxid, keine Stickoxide und auch kein Feinstaub. Brennstoffzellen anstatt Batterien in Bussen, Lastwagen und Autos haben den Vorteil, dass der Ladevorgang wesentlich schneller vonstatten geht, denn Wasserstoff kann ähnlich wie heute verwendeter Treibstoff in kurzer Zeit getankt werden – lange Wartezeit, bis ein Akku geladen ist, entfällt. Durch die hohe Energiedichte von Wasserstoff werden grosse Reichweiten der Fahrzeuge erreicht. Derzeit entsteht weltweit eine neue Wertschöpfungskette im Bereich Wasserstoff und Brennstoffzellen, zu der auch Forschende der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW einen Beitrag leisten.

Mikroporen in der Zelle

Konkret studierten die Forschenden sogenannte Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen – kurz PEFC. In solchen Brennstoffzellen müssen die Reaktionsstoffe, Sauerstoff und Wasserstoff, durch eine poröse Gasdiffusionsschicht diffundieren. Doch bei hoher spezifischer Leistung – also der Leistung am Gewicht gemessen – geht beim Transport der Reaktionsstoffe viel elektrische Spannung verloren. Um zu verstehen, bei welchen Bedingungen das passiert, durchleuchteten die Forschenden Gasdiffusionsschichten von Brennstoffzellen mittels Röntgen-Tomographie – ein Abbildungsverfahren, das kleinste Strukturen sichtbar macht. Dies erlaubte ihnen, einen Zusammenhang zwischen Transportfähigkeit und Eigenschaften wie der Porenverteilung, dem Widerstand enger Poren gegen Transportprozesse und nicht ganz kreisrunder Poren herzustellen. Dadurch konnten sie die Gastransportfähigkeit unterschiedlicher Gasdiffusionsschichten quantifizieren. Dann haben die Wissenschaftler die Röntgen-Messungen mit Computer-Simulationen verglichen und so mathematische Modelle entwickelt, die es Brennstoffzellen-Entwicklern nun erlauben, effizientere Geräte zu bauen. Eine mögliche Anwendung ist die Entwicklung neuer Materialien für Gasdiffusionsschichten mit optimiertem Porendesign. Für die Vermarktung der Computermodelle bauen die Forschenden nun eine Web-Plattform auf, sodass künftig alle von den Forschungsarbeiten profitieren können.

Wie funktioniert eine Brennstoffzelle?

Um die im Wasserstoff gespeicherte Energie technisch zu nutzen, können Brennstoffzellen verwendet werden. In ihnen wird der Wasserstoff mit Sauerstoff kontrolliert zusammengeführt – in einer chemischen Reaktion entsteht Strom und als Abfallprodukt Wasser.

Der Strom entsteht, weil Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren. Berühmt ist die sogenannte Knallgasreaktion. Damit diese chemische Reaktion nicht explosionsartig, sondern kontrolliert ablaufen kann, werden Wasserstoff und Sauerstoff der Brennstoffzelle auf getrennten Wegen zugeführt. Um eine gleichmässige Verteilung der Gase auf die elektrochemisch aktiven Oberflächen zu erreichen, werden Gasdiffusionsschichten verwendet. In sogenannten Gasdiffusionselektroden wird Wasserstoff auf der Anodenseite in ein H⁺ und in ein negativ geladenes Elektron aufgetrennt. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff ebenfalls in Gasdiffusionselektroden reduziert. Nur elektrisch positiv geladene Teilchen können durch eine protonenleitende Membran zwischen den beiden Zellseiten hindurchtreten. Die negativ geladenen Elektronen, die aus dem Wasserstoff entstanden sind, müssen sich einen anderen Weg suchen, um auf der anderen Seite der Barriere auf den Sauerstoff zu treffen und dann zu Wasser zu reagieren. Dieser andere Weg ist ein elektrischer Leiter, in welchem durch den Elektronenfluss Strom entsteht. Der so entstandene Strom kann dann dazu verwendet werden, Geräte anzutreiben.