Ein großer Sprung nach vorne in der Brennstoffzellentechnologie an der NTHU

Schon seit langem ringen Wissenschaftler um die Entwicklung von leistungsstarken Brennstoffzellen als umweltfreundliche Energie in Elektrofahrzeugen. Doch Prof. Chen Tsan-Yao vom Department of Engineering and System Science der Tsing-Hua-Nationaluniversität, Taiwan, erzielte vor kurzem einen wichtigen Durchbruch bei der Verwendung von Ultraschallwellen, um winzige Vertiefungen in der Oberfläche von verschiedenen Materialien herzustellen, die in Verbindung mit einem Platinkatalysator im atomaren Maßstab verwendet werden können, um die Effizienz von alkalischen Brennstoffzellen (AFC) zu verdoppeln.

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Prof. Chen Tsan-Yao recently developed a way of using ultrasonic waves to make tiny grooves on a metal surface, which in conjunction with an atomic-scale platinum catalyst can be used to double the efficiency of alkaline fuel cells. (Photo: National Tsing Hua University)

Diese Katalyse im atomaren Maßstab erhöht die Stromstärke der Sauerstoffreduktion (Kathodenreaktion) um das Zehnfache ohne Leistungsminderung über einen Zeitraum von acht Monaten Dauerbetrieb und senken die Produktionskosten um 90 Prozent. Die Zellen haben eine Lebensdauer von zwei bis drei Jahren. Diese bahnbrechende Forschung wurde als ein Fokuspapier über Energiematerialien in der Februarausgabe von Nature Communications veröffentlicht und ausgewählt. Prof. Chen teilte mit, dass er derzeit eine Größenquantisierungskorrelation im Katalysator entwickle, um die Zellen noch günstiger und effizienter zu machen.

Erforschung des Grenzbereichs im atomaren Maßstab

Eine Brennstoffzelle ist eine Stromerzeugungsanlage, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Alkalische Brennstoffzellen sind sicherer und effizienter als Säurebatterien und kommen daher in der Raumfahrt und bei Satelliten weitläufig zum Einsatz. Der Katalysator ist der wichtigste Baustein bei der Brennstoffzellenleistung. Prof. Chen erläuterte, dass es viele Faktoren gibt, die die Effizienz des Katalysators beeinträchtigen, insbesondere Volumen. Bei gleichem Volumen ist der Oberflächenbereich umso größer, je kleiner die Katalysatorpartikel sind, und umso höher ist die Leistung. Doch sind die Partikel zu klein, werden sie instabil und verlieren rasch ihre Effizienz. Daher bestand für Prof. Chen die Herausforderung darin, einen Weg zu finden, wie sich die Größe reduzieren und die Stabilität erhöhen lässt.

Inspiriert durch die Liebe zu Coffee Soda

Prof. Chen merkte an, dass ihn Coffee Soda bei den Strategien inspirierte. Bei einem Gespräch mit dem Inhaber eines Coffeeshops entdeckte er, dass je nach der Reihenfolge, in der der Kaffee und die Limonade in das Glas gegossen würde, die Süße, der Geschmack und die Anzahl der Bläschen sehr unterschiedlich ausfallen. Daraufhin wies er seine Forschungsassistenten an, die Reihenfolge im Kristallwachstum umzukehren. Anders als bei der traditionellen Methode fügen sie alle zehn Sekunden neue Materialien hinzu und unterbrechen die Reaktion in nur wenigen Sekunden, wodurch die Platinum-Trimer-Katalysatoren entstehen.

Niedrigere Kosten, erhöhte Effizienz und verlängerte Lebensdauer

Es verwundert nicht, dass Prof. Chens Studenten anfänglich Zweifel an seinem unorthodoxen Ansatz hatten. Nach hunderten Fehlschlägen gelang ihnen schließlich die Herstellung der Platinum-Trimer-Katalysatoren, die in den alkalischen Brennstoffzellen stabil blieben und eine hohe Aktivität beibehielten. Prof. Chen führte an, dass der für seinen atomischen Katalysator verwendete Platinumanteil lediglich 1% ausmache, und im Vergleich dazu der Platinumanteil bei durchschnittlichen kommerziellen Katalysatoren 35% beträgt. Die aktuelle Massendichte ist um das 30-fache höher.

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