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NEUE EFFIZIENTE KATALYSATOREN FÜR BRENNSTOFFZELLEN IN KONSTANT HOHER QUALITÄT

H2Mobilitaet
Soll aus Wasserstoff oder Methanol elektrische Energie gewonnen werden, kommen meist Brennstoffzellen zum Einsatz. Nanoskalige Katalysatoren bringen den Prozess in Schwung, bislang schwankt die Qualität dieser Materialien jedoch stark. Der Forschungsbereich CAN des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP räumt diese Probleme aus.


© Fraunhofer IAP

Wasserstoff ist ein Zukunftsthema – so sollen H2-Antriebe etwa die Elektromobilität sinnvoll ergänzen. Brennstoffzellen helfen dabei, die chemische Energie, die im Wasserstoff oder auch in Methanol gespeichert ist, in elektrisch nutzbare Energie umzuwandeln, sprich Strom daraus zu gewinnen. Damit dies bei handhabbaren Temperaturen und mit vertretbarem Energieaufwand gelingt, setzt man nanoskalige Katalysatoren auf der Basis von Platin ein. Bisherige Verfahren zu deren Herstellung basieren auf Batch-Synthesen und erlauben nur eine ungenügende Kontrolle über Größe, Form und Zusammensetzung der Partikel. Diese Parameter wirken sich jedoch stark auf den Katalyseprozess aus. Nanopartikel bieten sich als Katalysatoren an, weil sie über eine große Oberfläche im Verhältnis zur eingesetzten Materialmenge verfügen. Ihr Einsatz spart also Material und damit Kosten. Das Problem: Die Qualität herkömmlicher Katalysatormaterialien kann sehr stark schwanken.

Kontinuierliches Verfahren, reproduzierbares Produkt

Wissenschaftler im Forschungsbereich CAN des Fraunhofer IAP haben nun stabile und effiziente Katalysatoren entwickelt und deren Herstellungsverfahren optimiert – im durch das BMWi geförderten Projekt HiKAB.

»Wir haben den Batch-Prozess in einen kontinuierlichen Herstellungsprozess überführt«, sagt Dr. Christoph Gimmler, Abteilungsleiter am Fraunhofer IAP. »Dabei setzen wir auf ein Bottom-up-Verfahren – bauen die Nanopartikel also Atom für Atom auf. Auf diese Weise können wir über die Syntheseführung nicht nur Nanopartikel mit gleichbleibender, hoher Qualität herstellen, sondern auch Größe, Art und Zusammensetzung der Katalysatorpartikel gezielt einstellen.«

In dem Reaktor, den das Forscherteam entwickelt und gebaut hat, läuft dieser Syntheseprozess kontinuierlich ab. Das Besondere: Das Team hat die Nukleationsphase räumlich und zeitlich von der Wachstumsphase getrennt, auf diese Weise lassen sich beispielsweise die Reaktionstemperaturen gut kontrollieren. Dies ermöglicht eine sehr gute Reproduzierbarkeit des Prozesses und der Eigenschaften des hergestellten Materials. Auch das Katalysatormaterial an sich haben die Forscherinnen und Forscher optimiert.

»Wir haben einen Teil des Platins durch ein unedleres und somit kostengünstigeres Metall ersetzt«, konkretisiert Gimmler.

Dies wirkt sich nicht nur positiv auf die Materialkosten aus, sondern lässt den Katalysator auch effizienter arbeiten und erhöht seine Lebensdauer. Der Proof-of-Concept ist bereits erbracht: Die Forscherinnen und Forscher haben die hergestellten Katalysatoren bereits in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen getestet – mit Erfolg. In Langzeittests werden sie nun genau analysieren, wie sehr die neuen Materialien und das optimierte Herstellungsverfahren in punkto Kostenersparnis zu Buche schlagen. Aus ersten Messergebnissen wird deutlich, dass die entwickelten Katalysatoren auch für Wasserstoffbrennstoffzellen hoch interessant sind.





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