Wie Brennstoffzellen länger leben können

Phosphorsäure steckt integral in Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, kann gleichzeitig aber den ebenfalls wichtigen Platinkatalysator vergiften. Forschungen zeigen einen Ausweg aus dem Dilemma.

Manchmal braucht es ein ziemlich großes Experimentalgerät, um Dingen im Kleinen auf die Spur zu kommen. Marcus Bär, Leiter der Abteilung Grenzflächendesign am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), suchte neue Antworten auf Prozesse, die sich im Inneren von Brennstoffzellen abspielen. Mithilfe der hauseigenen Röntgenquelle Bessy II (im Endeffekt ein Teilchenbeschleuniger mit 240 m Umfang) kam er nach Mitteilung des HZB jetzt den Oxidationsprozessen an der Platin-Elektrolyt-Grenzfläche von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMFCs) auf die Spur.

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Vor allem geht es darum, wie die Phosphorsäure, die integral in der Polymerelektrolytmembran steckt, zur Oxidation beiträgt. Denn die Säure kann den Katalysator vergiften, wie das im Fachjargon salopp heißt: Sprich, er kann seiner Funktion nicht mehr nachkommen, der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sinkt. Bär und sein Team sind schon eine Weile damit beschäftigt. Jetzt haben sie genauer herausgefunden, was wichtig für das Wirken der Phosphorsäure in den HT-PEMFCs ist – und wie sich so neue Wege ergeben könnten, diese Brennstoffzellen langlebiger und effizienter zu machen.

Effizienz von Brennstoffzellen leidet unter Katalysatorgiften

Die Phosphorsäure (H₃PO₄) dient in der Polybenzimidazolmembran der Brennstoffzelle als Protonenleiter, sie ist dort als Dotierung eingebracht und kann aus dieser Kunststoffmembran herausdiffundieren. Einmal der Membran entwichen, dockt die Säure am Platinkatalysator an und so steht ein Teil der Oberfläche für den eigentlichen Katalyseprozess nicht mehr zur Verfügung: Die Effizienz der Brennstoffzelle sinkt. Neuere Studien, so das HZB, hätten zudem gezeigt, dass ein Teil der Phosphorsäure weiter reduziert wird zu H₃PO₃, das ebenfalls als Katalysatorgift in den HT-PEMFCs wirkt und „zu einem erheblichen Leistungsverlust führen kann“.

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Insgesamt sind die Wechselwirkungen zwischen der Phosphorsäure und dem Platinkatalysator laut HZB komplexer als bisher angenommen. „Wir haben damit verschiedene Prozesse für diese Oxidationsreaktion aufgedeckt“, erklärt Enggar Wibowo, Erstautor der Studie und Doktorand in Bärs Team. „Bemerkenswerterweise sind alle diese Oxidationswege mit Reaktionen mit Wasser verbunden. Das zeigt, dass die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle einen erheblichen Einfluss auf diese Prozesse hat.“ Wasser also und damit die in der Brennstoffzelle vorhandene Feuchtigkeit beeinflusst entscheidend all diese Oxidationsprozesse – und ist somit auch der Schlüssel dafür, in der Praxis die Effizienz von Brennstoffzellen zu verbessern.

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Effizienz der Brennstoffzellen lässt sich über die Feuchtigkeit optimieren

„Die Arbeit klärt einen wichtigen Degradationspfad von Brennstoffzellen auf und ist ein Beitrag auf dem Weg zu einer wasserstoffbasierten Energieversorgung“, sagt Marcus Bär. Denn durch das Verständnis für die Rolle der Feuchtigkeit in der Zelle ergeben sich jetzt neue Wege, um Lebensdauer und Wirkungsgrad von Brennstoffzellen zu erhöhen. Eine frühere Studie von Bärs Team zeigte, dass an der Grenzfläche zwischen Platin und wässrigem H₃PO₃ auch gegenläufige Prozesse stattfinden: Während H₃PO₃ zu einer Vergiftung des Platinkatalysators führen kann, kann Platin gleichzeitig die Oxidation zurück zu H₃PO₄ katalysieren. Und dieser Prozess lässt sich durch den Feuchtigkeitsgehalt steuern. Zumindest lässt sich der Gehalt an H₃PO₃ so minimieren.

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„Die Betriebsbedingungen von HT-PEM-Brennstoffzellen könnten damit optimiert werden, um eine Vergiftung des Katalysators durch H₃PO₃ zu verhindern und die Effizienz dieser Brennstoffzellen zu erhöhen“, so Wibowo. Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMFCs), auch Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle genannt, sind seit Langem auf dem Markt. Beispiel sind Methanol-Brennstoffzellen zum Beispiel für den Einsatz als mikrostationäre Stromquellen, auch für die Notstromversorgung und Back-up-Lösungen im Off-Grid-Bereich, also bei einer Stromversorgung außerhalb der üblichen Stromversorgungsnetze.