Prof. Dr. Uta Helbig: Funktionsweise einer Brennstoffzelle
Prof. Dr. Uta Helbig: Funktionsweise einer Brennstoffzelle

Projekt: "Langzeitstabile Elektroden für die Polymerelektrolytbrennstoffzelle"

Die Energieversorgung der Zukunft muss sich von der Verwendung fossiler Brennstoffe lösen. Wir benötigen alternative Technologien um den Energiebedarf auch ohne schädliche Auswirkungen auf das Klima sicherzustellen. Diese Technologien müssen auf regenerativen Energiequellen wie Wind-, Wasser- und Solarenergie basieren. Eine wichtige Komponente der zukünftigen Energieversorgung ist dabei die Wasserstofftechnologie. Aus Wasserstoff kann in einer Brennstoffzelle elektrische Energie gewonnen werden, die sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen genutzt werden kann. Erzeugt man den Wasserstoff auf regenerativem Weg, ist eine vollständig klimaverträgliche Energieversorgung möglich.

In einer Brennstoffzelle reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser. Bei der Reaktion werden Elektronen vom Wasserstoff auf den Sauerstoff übertragen. Eine Brennstoffzelle ist so konstruiert, dass die Elektronen den Weg über den elektrischen Verbraucher nehmen müssen, die zugehörigen Ionen wandern durch eine Membran. Bei einer sogenannten PEM-Zelle, einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Zelle wandern die Wasserstoffionen durch die Membran, der Wasserstoff wird auf einer Seite, der Sauerstoff auf der anderen Seite zugeführt.

Das Herzstück einer Brennstoffzelle ist die Elektroden-Membran-Einheit. Sie besteht bei einer PEM-Zelle aus der protonenleitenden Membran und einer Elektrodenschicht auf jeder Seite. Die Elektroden müssen jeweils mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen. Wasserstoff bzw. Sauerstoff müssen an den Ort der chemischen Reaktion gebracht werden. Die Gasmoleküle müssen aufgespalten werden und Wasserstoff zum Proton oxidiert (hydrogen oxidation reaction, HOR) und der Sauerstoff reduziert werden (oxygen reduction reaction, ORR). Um diese Reaktionen zu ermöglichen, enthalten die Elektroden Katalysatorpartikel aus Platin. Die Elektroden selbst bestehen aus Kohlenstoffpartikeln, die eine poröse Schicht bilden.

Der Ort der Reaktion ist die Dreiphasengrenze zwischen Platinpartikel, protonenleitender Membran und Kohlenstoff. Unter ungünstigen Bedingungen, wie sie beispielsweise bei Lastwechseln auftreten, kann der Kohlenstoff degradieren, was zu einem Leistungsabfall und letztlich zum Versagen der Zelle führt.

 

 

Platin-Partikel auf Titanat-Nanotubes Dr. Haiyan Tan (a) and Assistant Professor Dr. Stefan Schafföner (b,c). a) Thermo Fisher Scientific Center for Advanced Microscopy and Materials Analysis, University of Connecticut, b) Department of Materials Science and Engineering, c) Institute of Materials Science, University of Connecticut
Dr. Haiyan Tan (a) and Assistant Professor Dr. Stefan Schafföner (b,c). a) Thermo Fisher Scientific Center for Advanced Microscopy and Materials Analysis, University of Connecticut, b) Department of Materials Science and Engineering, c) Institute of Materials Science, University of Connecticut, TEM-Aufnahme: Platin-Partikel auf Titanat-Nanotubes

Um die Langzeitstabilität von PEM-Zellen zu erhöhen, arbeitet die Gruppe um Frau Prof. Dr. Uta Helbig an verbesserten Elektrodenmaterialien. Die Kernidee ist der Ersatz des Kohlenstoffs durch Nanoröhren auf der Basis von Titanoxid. Aus dem Titanoxid werden über einen alkalisch-wässrigen Syntheseschritt Titanat-Nanoröhren hergestellt. Da jedoch reine Titanat-Nanoröhren für den Einsatz in der Brennstoffzelle nicht leitfähig genug sind, werden sie mit Kohlenstoff dotiert. An der Fakultät Werkstofftechnik der TH Nürnberg wurde dafür ein spezieller Prozess entwickelt, der die Dotierung unter Erhalt der hohen spezifischen Oberfläche der Nanoröhren ermöglicht.

Ziel des Projektes „Langzeitstabile Elektroden für die Polymerelektrolytbrennstoffzelle“ das von Bayerischen Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst gefördert wird, sind Brennstoffzellenelektroden auf der Basis von Kohlenstoff-dotierten Titanat-Nanoröhren. Die Herausforderungen dabei sind die Dekoration der Nanoröhren mit den Katalysatorpartikeln und die Herstellung elektrisch leitfähiger Komposite aus den C-Titanat-Nanoröhren und einem wasserabweisenden Polymer.

Erste Ergebnisse zeigen erfolgreich die Belegung der Nanotubes mit Platin-Nanopartikeln. Die aktuellen Arbeiten beschäftigen sich mit dem Einarbeiten der C-Titanat-Nanotubes in das Polymer und mit der Herstellung von Elektrodenschichten über das Siebdruckverfahren.