Während der weltweite Wandel hin zu erneuerbaren Energien an Dynamik gewinnt, ist eine zentrale Herausforderung entstanden: Wie kann Energie in Zeiten, in denen Solar- und Windenergie nicht verfügbar sind, effizient gespeichert werden? Ein Durchbruch in der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie, der durch gemeinsame Forschung erzielt wurde, senkt die Kosten erheblich, indem Platinmetall im Katalysator durch Silber ersetzt wird, was einen wichtigen Schritt hin zu einer erschwinglichen und effizienten grünen Energiespeicherung darstellt.
Wasserstoff-Brennstoffzellen, ein Spitzenkandidat, haben dank der Grundlagenforschung am SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, der Stanford University und dem Toyota Research Institute (TRI) gerade einen großen Aufschwung erfahren. In Zusammenarbeit zwischen der Stanford University und dem Technion-Israel Institute of Technology wurde ein Brennstoffzellengerät entwickelt, das kürzlich in die Praxis umgesetzt wurde.
„Wasserstoff-Brennstoffzellen haben zwar ein großes Potenzial für die Energiespeicherung und -umwandlung und nutzen Wasserstoff als alternativen Kraftstoff zu Benzin und dergleichen, aber essbare Brennstoffzellen sind immer noch recht teuer“, sagte Michaela Burke Stevens, außerordentliche Wissenschaftlerin am SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis, einem Joint Venture zwischen SLAC und der Stanford University.
Das Problem besteht laut Burke Stevens darin, dass Brennstoffzellen oft auf Katalysatoren angewiesen sind, die teure Platingruppenmetalle (PGMs) enthalten, um die chemischen Reaktionen zu fördern, die dafür sorgen, dass das System ordnungsgemäß funktioniert. Dies veranlasste Burke-Stevens und ihre Kollegen dazu, nach Möglichkeiten zu suchen, Katalysatoren billiger zu machen, doch solch grundlegende Änderungen an der Chemie einer Brennstoffzelle sind eine gewaltige Herausforderung: Wissenschaftler stellen oft fest, dass Katalysatoren, die in ihren kleinen Laboraufbauten funktionieren, nicht funktionieren.
Diesmal gelang es den Forschern, die Kosten auszugleichen, indem sie Metalle der Platingruppe teilweise durch eine billigere Alternative, Silber, ersetzten. Der eigentliche Schlüssel liegt jedoch in der Vereinfachung der chemischen Formel für die Zugabe von Katalysatoren zu Batterieelektroden.
Normalerweise mischen Wissenschaftler Katalysatoren in eine Flüssigkeit und verteilen sie dann auf Netzelektroden. Diese Katalysatorformulierungen funktionieren jedoch in verschiedenen Laborumgebungen und mit unterschiedlichen Werkzeugen nicht immer auf die gleiche Weise, was es schwierig macht, die Arbeit in reale Anwendungen umzusetzen. „Nasschemische Prozesse sind gegenüber Laborbedingungen nicht besonders widerstandsfähig“, sagt Tom Jaramillo, Direktor von SUNCAT, dem Unternehmen, das diese Zusammenarbeit ermöglicht hat.
Um dieses Problem zu lösen, nutzte das SLAC-Team eine Vakuumkammer, um den neuen Katalysator kontrollierter auf den Elektroden abzuscheiden. „Dieses Hochvakuum-Werkzeug ist ein Ansatz vom Typ „Was man sieht, ist was man bekommt“,“ sagte Jaramillo. „Solange Ihr System gut kalibriert ist, könnte man es im Prinzip leicht reproduzieren.“
Um sicherzustellen, dass andere ihre Methode reproduzieren und direkt auf Brennstoffzellen im Originalmaßstab anwenden können, arbeitete das Team mit Experten des Technion-Israel Institute of Technology zusammen, die zeigten, dass die Methode in tatsächlichen Brennstoffzellen funktioniert.
„Dieses Projekt war nicht darauf ausgelegt, hier Brennstoffzellentests durchzuführen, also hatten wir großes Glück.“ José Zamora Zeledόn, ein Stanford-Doktorand des Projekts, verband sich mit Dario Dekel und John Douglin, seinem Doktoranden am Technion-Israel Institute of Technology, und ihr Ziel war es, tatsächliche Brennstoffzellen zu testen, also war es eine wirklich gute Kombination von Ressourcen,
Gemeinsam entdeckten die beiden Teams, dass sie durch den Ersatz einiger der in früheren Katalysatoren verwendeten Metalle der Platingruppe durch billigeres Silber ebenso effiziente Brennstoffzellen zu einem viel niedrigeren Preis herstellen konnten – und nun verfügten sie über einen bewährten Ansatz für die Katalysatorentwicklung, mit dem sie mit der Erprobung ehrgeizigerer Ideen beginnen konnten.
„Wir könnten versuchen, völlig frei von Metallen der Platingruppe zu sein“, sagte Jaramillo, Professor für Chemieingenieurwesen am Technion-Israel Institute of Technology und Direktor des Energieprogramms des Greater Technion, der gleichermaßen vom Potenzial der Zusammenarbeit begeistert ist. „Dies hat große Vorteile für die Brennstoffzellenforschung sowie für die praktische Katalysatorentwicklung für die Brennstoffzellenindustrie“, sagte er.
Künftig wird diese Art von Forschung darüber entscheiden, ob Brennstoffzellen ihr Potenzial ausschöpfen können. Brennstoffzellen sind wirklich spannend und interessant für den Schwerlasttransport und die Speicherung sauberer Energie, aber letztendlich kommt es auf die Kostensenkung an, und darum geht es bei dieser Zusammenarbeit.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily