Schweizer Forscher machen Brennstoffzellen für Wasserstoff-Autos langlebiger

Schweizer Forscher machen Brennstoffzellen für Wasserstoff-Autos langlebiger

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Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Bern ist es gelungen, einen Elektrokatalysator für Wasserstoff-Brennstoffzellen zu entwickeln, der im Gegensatz zu den heute üblichen Katalysatoren ohne Kohlenstoffträger auskommt und dadurch deutlich stabiler sein soll. Das neue Verfahren sei industriell anwendbar und könne zur weiteren Optimierung von brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen ohne CO2-Ausstoß genutzt werden.

Brennstoffzellen gewinnen als Alternative zur batteriebetriebenen Elektromobilität vor allem im Schwerverkehr an Bedeutung, insbesondere da Wasserstoff ein CO2-neutraler Energieträger ist, wenn er aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird. Für eine effiziente Arbeitsweise benötigen Brennstoffzellen einen Elektrokatalysator, der die elektrochemische Reaktion verbessert, bei der der Strom erzeugt wird. Die heute standardmäßig dafür eingesetzten Katalysatoren aus Platin-Kobalt-Nanopartikeln besitzen gute katalytische Eigenschaften und benötigen nur so wenig wie nötig an seltenem und teurem Platin. Damit der Katalysator in der Brennstoffzelle eingesetzt werden kann, muss er über eine Oberfläche mit sehr kleinen Platin-Kobalt-Partikeln im Nanometer-Bereich verfügen, die auf ein leitfähiges Trägermaterial aus Kohlenstoff aufgetragen wird. Da die kleinen Partikel und auch der Kohlenstoff in der Brennstoffzelle Korrosion ausgesetzt sind, verliert die Zelle mit der Zeit an Effizienz und Stabilität.

Einem internationalen Team unter Leitung von Professor Matthias Arenz vom Departement für Chemie und Biochemie (DCB) der Universität Bern ist es nun gelungen, mittels eines speziellen Verfahrens einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der im Gegensatz zu bestehenden Katalysatoren aus einem dünnen Metallnetzwerk besteht und dadurch langlebiger ist. „Der von uns entwickelte Katalysator erreicht eine große Leistungsfähigkeit und verspricht einen stabilen Brennstoffzellenbetrieb auch bei höherer Temperatur und hoher Stromdichte“, sagt Arenz. Die Resultate wurden im Fachjournal Nature Materials publiziert. Die Studie ist eine internationale Zusammenarbeit des DCB unter anderen mit der Universität Kopenhagen und dem Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, bei der auch die Infrastruktur der Swiss Light Source (SLS) am Paul Scherrer Institut zum Einsatz kam.

Die Brennstoffzelle – direkte Stromgewinnung ohne Verbrennung

In einer Wasserstoff-Brennstoffzelle werden Wasserstoff-Atome aufgespalten, um daraus direkt elektrischen Strom zu erzeugen. Dafür wird Wasserstoff einer Elektrode zugeführt, wo er in positiv geladene Protonen und negativ geladene Elektronen aufgespalten wird. Die Elektronen fließen über die Elektrode ab und erzeugen außerhalb der Zelle elektrischen Strom, der beispielsweise einen Fahrzeugmotor antreibt. Die Protonen durchqueren eine Membran, die nur für Protonen durchlässig ist, und reagieren auf der anderen Seite an einer zweiten, mit einem Katalysator (hier aus einem Platin-Kobaltlegierungsnetzwerk) beschichteten, Elektrode mit Sauerstoff aus der Luft, wodurch Wasserdampf erzeugt wird. Dieser wird über den „Auspuff“ abgeführt.

Damit die Brennstoffzelle Strom produziert, müssen beide Elektroden mit einem Katalysator beschichtet sein. Ohne Katalysator würden die chemischen Reaktionen nur sehr langsam ablaufen. Dies gilt insbesondere für die zweite, die Sauerstoffelektrode. Doch die Platin-Kobalt-Nanopartikel des Katalysators können beim Betrieb in einem Fahrzeug „zusammenschmelzen“. Dies verringert die Oberfläche des Katalysators und damit die Leistungsfähigkeit der Zelle. Zudem kann der Kohlenstoff, der üblicherweise verwendet wird, um den Katalysator zu befestigen beim Einsatz im Straßenverkehr korrodieren. Dies beeinträchtigt die Lebensdauer der Brennstoffzelle und somit des Fahrzeugs. „Unsere Motivation war es daher, einen Elektrokatalysator ohne Kohlenstoffträger herzustellen, der dennoch leistungsfähig ist“, erklärt Arenz. Vorherige, ähnliche Katalysatoren ohne Trägermaterial verfügten bisher immer nur über eine reduzierte Oberfläche. Weil die Größe der Oberfläche entscheidend ist für die Aktivität des Katalysators und somit seine Leistungsfähigkeit, waren diese für den industriellen Einsatz weniger geeignet.

Technologie ist industriell einsetzbar

Die Idee konnten die Forschenden dank eines speziellen Verfahrens, der Kathodenzerstäubung (Sputtern) in die Tat umsetzen. Bei dieser Methode werden einzelne Atome eines Materials (hier Platin bzw. Kobalt) durch Beschuss mit Ionen herausgelöst (zerstäubt). Die herausgelösten gasförmigen Atome kondensieren anschließend als haftende Schicht. „Mit dem speziellen Sputterverfahren und anschließender Behandlung kann eine sehr poröse Struktur erreicht werden, die dem Katalysator eine große Oberfläche gibt und gleichzeitig selbsttragend ist. Ein Kohlenstoffträger ist somit überflüssig“, so Dr. Gustav Sievers, Studien-Erstautor vom Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie.

Diese Technologie ist industriell skalierbar und kann somit auch für größere Produktionsvolumen beispielsweise in der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden“, sagt Matthias Arenz. Mit dem Verfahren kann die Wasserstoff-Brennstoffzelle weiter für den Einsatz im Straßenverkehr optimiert werden. „Unsere Erkenntnisse sind somit von Bedeutung für die Weiterentwicklung von nachhaltiger Energienutzung, insbesondere angesichts der aktuellen Entwicklungen im Mobilitätssektor für den Schwerverkehr“, sagt Arenz.

Die Studie wurde unter anderem finanziert durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF), das Deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und das Danish National Research Foundation Center für High-Entropy Alloy Catalysis.

Quelle: Universität Bern – Pressemitteilung vom 24.08.2020

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19 Antworten

  1. DAS ist ja ein toller, sachlich und technisch fundierter Kommentar, der nur so vor DUMMHEIT strotzt. Vielleicht können Sie etwas sinnvolles beitragen!

      1. Und E.M. ist das zu Recht wenn es um Autos geht, die nur 1h am Tag in Betrieb sind! Da braucht es keine Kolben, Vernitle, Ketten und tausend Zahnräder geschweige denn Membranen und komplexe H2 Speichersysteme. Brennstoffzellen haben ihren SINN vielleicht in der kommerziellen Luftfahrt

        1. Sie haben das nicht richtig verstanden, für viele Ingenieure ist es das Geilste tausende von hochkomplexen Einzelteilen in einem hochkomplexen System zu definieren, integrieren, das gibt Anerkennung. Übrigens ich bin auch Ingenieur und mein Chef würde mich 4-teilen, wenn ich so etwas bauen würde, wenn die einfache Lösung nicht schon auf der Hand liegen würde und die dann vor Allem noch besser funktioniert und viel wartungsfreundlicher ist.

          Ich bin auch stolzer mehrfacher Tesla Owner und bin nicht gegen die Brennstoffzelle. Beide Systeme werden ihren Weg in den entsprechenden Gebieten machen, Wasserstoff in der Schifffahrt, Flugzeugen und der Industrie und ich hoffe, dass das sehr bald und nachhaltig möglich sein wird. Beim PkW ist das ein Entscheid, der jeder für sich treffen muss. Feindschaft ist da keine Lösung sondern Akzeptanz der anderen Ansicht.

          Immer unter dem Blickwinkel von Leben und Leben lassen und Side-by-Side.
          Wichtig und zentral sind Nachhaltigkeit und da eignen sich beide, Brennstoffzelle und Akku Technologien gleichermassen für die unterschiedlichsten Anwendungen.

          1. Ich würde ihnen gerne ein Daumen hoch geben, oder zwei oder drei. Es gibt für beide Technologien einen Markt. Man sollte aufhören Technologien gegeneinander auszuspielen. BEV als PKW und Wasserstoff für leistungsstarke Anwendungen wie Flugzeuge. Es geht um sinnvolle Anwendungen und nicht um Religion.

  2. Wenn nun das “kleine” Problem der mangelnden Haltbarkeit der Katalysatoren durch neuartige Metallgitter evtl. ein wenig verringert werden kann, muß man sich ja NUR noch um den *physikalisch bedingten* schlechten Wirkungsgrad des Elef… äääh, der doppelten Konversion und des Transports (Strom –> H2 … {Transport} … H2 –>Strom) kümmern …

    1. Die Haltbarkeit muss nicht länger sein als ein normales Autoleben. Das ist bisher schon erreicht. Und zum Thema Energiewandlung wiederhole ich wieder einmal:
      In einer umfangreichen Studie von Agora Energiewende mit Fassung 3/2018 kommt ein BEV zu einem Wirkungsgrad von 69% und ein FCEV zu 26% (Faktor 2,8). Die geht aber von 70% el. Wirkungsgrad des Elektrolyseurs aus und berücksichtigt die Wärmenutzung nicht. Geht man aber von derzeit machbaren 85% el. Wirkungsgrad aus. Kommt man schon auf 32% statt 26% (Faktor 2,2). Berücksichtigt man noch die Wärmenutzungsmöglichkeit von 5-10% durch Sektorenkopplung und berücksichtigt man noch die Wärmenutzung im Fahrzeug (Winter), dann kommt man nur noch auf 40-50% Mehrverbrauch an Energie. Berücksichtigt man dann noch den Energieverbrauch bei der Herstellung (Akku vs. Brennstoffzelle), dann hat sich das Thema Energieverschwendung in Luft aufgelöst. Man muss in Gesamtzusammenhängen denken und bewerten.

      1. Was dabei gern vergessen und wegberechnet wird:
        Der Transport des Wasserstoff vom Herstellungspunkt zur Tankstelle (mit Diesel-LKW)
        Der immense Stromverbrauch der Wasserstoff-Tankstellen 8cav30kWh) pro Kimpresdionsausgleich)
        Das zur Kühlung Stickstoff nachgefüllt werden muß (der auch nie in Berechnungen auftaucht)

        Die 9,50€ pro Kilo müssten 40€ sein….

        1. Ich wiederhole zum Thema Kosten den Text: Heinz Scherer sagt 24. Mai 2020 um 20:48 Uhr

          Lieber Peter W, hier mal folgende Infos für Sie. Die pure Elektrolyse kostet ohne Strom 1,5-2 Cent/KWh. Grüner PV-Strom gibt es in Deutschland inzwischen schon in einer PPA-Anlage (also ohne Förderung) für 4,6 Cent/KWh. Also kostet der Wasserstoff (vor Transport) aus einer solchen modernen Anlage (nicht Windstrom) lediglich 6-7 Cent/KWh. Somit umgerechnet in Kilogramm (33 kWh/kg) 2-2,3 Euro. Leider kann aber derzeit grüner Wasserstoff so nicht hergestellt werden, da unsere derzeitige Regierung enorme Abgaben auf den verwendeten EE-Strom aufschlägt. Die Verteilung über eine Pipeline kostet 1-2 Cent/kWh. Die Energie für die Komprimierung und die Tankstelle als solche wollen natürlich auch noch bezahlt werden. Jetzt erst sollte man die Steuer aufschlagen. Sagen wir mal wie beim Diesel 47 Cent/Ltr. mal 5 Ltr./100km (1kg H2/100km angenommen) und dann noch die Umsatzsteuer. Da ist also sogar noch etwas “Luft” bis zu den 9,50 Euro/kg H2 drin. Und der Staat verliert nichts dabei.
          Übrigens wird langfristig mit 2 Cent/kWh für PV-Strom in Deutschland gerechnet. Und ich habe noch gar berücksichtigt, dass die Abwärme bei der Elektrolyse verkauft wird. Also an den Tankkosten wird langfristig nichts scheitern müssen.

      2. Dafür ist es aber auch wichtig, diese Gesamtzusammenhänge wirklich zu verstehen. Die 85 Prozent Wirkungsgrad von denen sie sprechen sind basierend auf Higher Heating Value gerechnet. Die von Ihnen zitierte Studie rechnet allerdings mit 70 Prozent Lower Heating Value, was auch korrekt ist, da der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ebenfalls basierend auf Lower Heating Value berechnet wird. Diese 70 Prozent sind bereits sehr optimistisch gerechnet, die Szenarien von Hydrogen Europe erwarten die frühestens 2030 und die sind wahrlich nicht dafür bekannt, Wasserstoff schlecht zu rechnen. Selbst die aktuell besten Elektrolyseure vom Marktführer Nel erreichen nur 65 Prozent. Abwärmenutzung bei der Elektrolyse ist im übrigen derzeit nur Teil von Pilotprojekten und für den allergrößten Anteil der Elektrolyseanlagen nicht sinnvoll, da die in Zukunft größtenteils direkt bei der Energieerzeugung stehen werden, da der Stromtransport viel teurer ist als der Wasserstofftransport, das funktioniert schon allein aufgrund der Kapazitäten nicht. Außerdem lässt sich dabei die Effizienz durch Verzicht der Stromwandlung aus Solarstrom von DC in AC und wieder zurück verbessern. Der Punkt mit der Wärmenutzung im Auto ist korrekt, da wir hier aber von maximal 3 kw Leistung reden, wenn das BEV eine Wärmepumpe verwendet und die auch nicht dauerhaft übers Jahr abgerufen werden, haben wir hier auch einen relativ geringen Vorteil, der darüber hinaus in der Studie beim Verbrauch des BEV bereits berücksichtigt ist. Selbst langfristig wird der Wirkungsgrad des FCEV nicht über 35 Prozent steigen, also immer ein Mehrverbrauch von 100 Prozent gegenüber dem BEV!
        Das Argument mit der Herstellung ist auch nicht wirklich korrekt, insbesondere die Bipolarplatten und die Karbontanks im FCEV brauchen ebenfalls extrem viel Energie. Nur bei extrem großen Batterien über 100 kWh ist das BEV hier überhaupt besser.
        In diesem Fahrzeugsegment wird die Brennstoffzelle sicher auch in gewissem Maße kommen, da die Energie über den Lebenszyklus eines fetten SUV oder einer Reiselimousine für 100k keine 20 Prozent der Gesamtkosten ausmacht und hier der Komfort nicht laden zu müssen wahrscheinlich wirklich einigen wichtiger ist. Aber bei den Pkw wird sie eine Nische bleiben. Anders sieht es im Schwerlastverkehr aus: N 40 Tonner bräuchte eine Batterie von derzeit über 5 Tonnen, das ist nicht wirtschaftlich. Außerdem ginge zu viel Zeit fürs Laden drauf, insbesondere wenn Trucks in den nächsten Jahren autonom fahren werfen die rund um die Uhr unterwegs sein und permanent schnellladen verträgt keine Batterie der Welt, abgesehen davon, dass wir dann überall Charger mit 2 MW bräuchten und davon dann 10-20 Stück und dafür die Stromnetze nirgends ausgelegt sind.
        Außerdem brauchen wir sie für Züge und Schiffe (ob da am Ende Wasserstoff oder Ammoniak oder Erdgas aus Power to Gas kommt ist egal, braucht alles Wasserstoff) und für die Luftfahrt weil zumindest für die Langstrecke e-fuels noch sehr lange die einzige Möglichkeit bleiben werden um zu Dekarbonisieren und für die braucht man halt jede Menge Wasserstoff.
        Ergo: Die Brennstoffzelle kommt definitiv, nur nicht (kaum) im Auto. Hört auf zu streiten, wir brauchen beides.

        1. Sehr schön mal einen qualifizierten Kommentar zu lesen. Ich schreibe seit Monaten, nämlich dass wir beides brauchen und beides seine Berechtigung hat. Ich spare mir jetzt den Link zu älteren umfangreichen Diskussionen in diesem Forum. Wo ich aber widersprechen muss, ist das Thema Energie bei der Herstellung eines FCEV. Bei der letzten Diskussion (Mahle) habe ich auf eine Fraunhofer ISE Studie verwiesen, da wird ein BEV mit 90 KWh Akku mit dem doppelten Energieverbauch bei der Herstellung aufgezeigt.
          Und zum Thema Wärme ist bei einem Zukunftsthema zu berücksichtigen, dass die Wärmenutzung immer mehr in den Fokus rücken wird.
          Wenn das nicht gemacht wird, dann nur weil sich das wirtschaftlich vielleicht nicht rechnet. Wir sind uns einig, dass nur große Langstreckenfahrzeuge ein H2-Thema sind.

      3. Da kann man nur noch den Kopf schütteln. Was für ein hahnebüchernes Schönrechnen. Wo bitte schön gibt es da Sektorenkopplung bei einem sich bewegenden Fahrzeug? Das könnten Sie genausogut bei Verbrennerfahrzeugen dazurechnen. Oder die Heizung im Winter? Auch das kann ein Verbrenner. Wird er dadurch Energieeffizienter? Gehen Sie noch mal über Ihre Bücher, was Sie hier zusammenrechnen ist absoluter Bullshit.

        1. Sie sollten erstmal nachdenken, bevor Sie so einen Kommentar abgeben. Die Sektorenkopplung gibt es auf der H2-Herstellungseite. Wenn Sie einen Elektrolyseur an der Autobahntankstelle hätten, könnten Sie z.B. die Abwärme nutzen, um das Hotel mit Wärme zu versorgen. Das nennt man Sektorenkopplung. Und was den PKW betrifft da gibt es keine Sektorenkopplung, aber den Effekt, dass Sie im Winter nicht das Problem haben, welches BEV haben. Und wenn nun einen Vergleich der Systeme macht, muss man eine Ganzjahresenergieverbrauchsrechnung machen. Was ist da so schwer zu verstehen. Hatte ich auch schon in früheren Threads erläutert. Und Sie lesen doch regelmäßig die Kommentare, oder etwas nicht?

  3. Lesen Sie bitte erst einmal die Studie bevor Sie sowas behaupten, diese Faktoren sind alle berücksichtigt. Langfristig wird H2 aber vor Ort an der Tankstelle produziert oder über eine Pipeline geliefert. Dann wird der Faktor noch verbessert. Die Presie werden langfristig sogar deutlich niedriger sein als die 9,50€/kg, hatte ich auch schon mal dargelegt. H2 ist in der Energiewirtschaft für die Zukunft gesetzt. PKW sind da nur ein Randthema.

  4. Auf Arbeit wird gerade an einer H2 Station (Elektrolyseur+Verdichter+Lager+Tanke) machbarkeitsgeplant.
    1.5MW Leistung bei Stromkosten von ca €40/MWh (selbst produziert) ergeben einen Verkaufserlös, der bei mind. €7,– liegen muß. Das unter der Voraussetzung, dass der Invest in die Anlage zu 80% gefördert wird. Dann schreibt die Anlage eine schwarze Null. Sofern alles gut geht. Steigt der Strompreis –> zahlen wir drauf. Sinkt der H2Preis –>zahlen wir drauf. Geht was kaputt …
    Dabei hat man sich schon alles komplet schöngelogen – die Lokalpolitik (sitzt im Aufsichtsrat) hat derzeit ein H2-High.
    Unsere Hoffnung: der Rausch ist verdampft bis die Planungen abgeschlossen sind und Realität einkehrt.
    Meine Erwartungen hierzu: H2 wird irgendwann kommen und zwar durch das Gasnetz. Die Produzenten werden Linde, BASF, Wintershall, Gazprom, you name it heissen. Das H2 wird durch flüssigmetall Pyrolyse aus Methan (“Naturgas”) gewonnen werden (dabei läßt sich dann auch Ökostrom verwenden).
    Wer dann noch mit seiner kleinen Ökostromelektrolyse am Markt ist, kann sich warm anziehen. Der H2erzeugerpreis wird in Keller gehen und die Netznutzung dafür teurer … ach – das kommt euch bekannt vor?

    1. Es ist mir unmöglich eine seriöse Beurteilung ihres Projekts zu machen, ohne da alle Infos zu haben. Momentan ist das Thema H2 noch sehr schwierig in Bezug auf Investitionen, da politisch noch viele Hürden aus dem Weg zu räumen sind. Z.B. EEG-Umlagen auf den selbsterzeugten Strom. Eigentlich eine Zumutzung. Steuern sollten erst auf das Endprodukt H2 an der Tankstelle erhoben werden. Weiter oben habe ich eine Rechnung vorgestellt, bei der Steuern in Höhe des durchschnittlichen Dieselverbrauchs berücksichtigt sind. Das wäre fair und sinnvoll.
      H2 muss auf jeden Fall langfristig grüner H2 sein, wird es aber in einer Übergangsphase sicher nicht sein, da gibt es zuviele Interessen anderer.
      Dass der H2-Erzeugerpreis bei einem weltweiten Handel in die Knie geht ist aus Verbrauchersicht zu hoffen. Dass das Thema ein Konzernthema ist, stört mich nicht, solange es politisch erreicht wird, die Konzerne in die “richtige” Richtung zu bringen. Energiewirtschaft ist das größte Thema weltweit und somit logischerweise ein Thema bei dem vor allem Konzerne aller Länder mitmischen werden. Bürgerenergie wird eine Randerscheinung bleiben, dafür geht es um zu große Summen. Alles andere wäre illusorisch.

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