Neue Nickel- und Kohlenstoff-Technologie senkt Kosten und erweitert die Nutzung von Brennstoffzellen

Ni- und Kohlenstoff-basierte neue Technologie verspricht tiefere Kosten und mehr Einsatzmöglichkeiten für Brennstoffzellen

Forschende der Cornell University haben einen Brennstoffzellen-Katalysator entwickelt, der ohne Edelmetalle wie Platin oder Palladium auskommt. Die neue Lösung basiert auf Nickel mit einer Kohlenstoff-Beschichtung und zeigt in alkalischer Umgebung eine hohe Aktivität – ein Ansatz, der eine breitere Nutzung von Brennstoffzellen realistischer macht.

Bei konventionellen Brennstoffzellen läuft der Betrieb typischerweise in saurer Umgebung ab. Damit Katalysatoren dort stabil bleiben, braucht es meist Edelmetalle – und genau deren hohe Kosten bremsen die Verbreitung der Technologie. Der hier vorgestellte Weg setzt stattdessen auf eine alkalische Umgebung: In diesem Milieu lassen sich günstigere Metalle wie Nickel, Eisen und Kobalt einsetzen, die rund 500–1000 Mal preiswerter sind.

Ein zentrales Hindernis bei alkalischen Brennstoffzellen war bislang die langsame Reaktionsgeschwindigkeit der Wasserstoffoxidation. Zwar gilt Nickel als vielversprechend, doch es oxidiert schnell und verliert dadurch seine katalytische Aktivität. Das Team adressierte dieses Problem, indem es Nickel mit einer extrem dünnen Graphen-Kohlenstoffschicht überzog – nur 3–4 Atome dick. Diese Schutzlage schirmt Nickel gegen Oxidation ab und erhält so die Aktivität.

In Versuchsreihen erreichte der Katalysator eine Leistung von 1 W pro Quadratzentimeter. Damit liegt er über den Zielvorgaben des US-Energieministeriums für Brennstoffzellen, die mit Edelmetall-Katalysatoren arbeiten. Dadurch wird der Ansatz im Wettbewerb mit etablierten Systemen deutlich attraktiver.

Für die Prüfung wurde der neue Katalysator unter Bedingungen getestet, die den Betrieb in Brennstoffzellen nachbilden. Die Untersuchungen zeigten, dass die Kohlenstoff-Beschichtung das Eindringen von Sauerstoff in das Nickel wirksam unterbindet und damit dessen Eigenschaften bewahrt. Bestätigt wurde dies durch atomar aufgelöste Aufnahmen, die mittels Mikroskopie erstellt wurden.

Aktuell liegt die Lebensdauer des Systems bei etwa 2000 Stunden und damit noch unter dem Zielwert von 15 000 Stunden. Dennoch sind die Forschenden überzeugt, dass sich durch ingenieurtechnische Optimierungen die nötige Stabilität erreichen lässt, da die grundlegende Chemie der Reaktion ihre Wirksamkeit bereits belegt hat.

Langfristig könnte die Technologie in der Automobilindustrie eingesetzt werden, ebenso bei stationären und mobilen Generatoren. Zusätzlich eignet sie sich für dezentral organisierte Stromversorgungssysteme – insbesondere in abgelegenen Regionen.