12.07.2019

Platin in Brennstoffzellen: Zu kostbar zum Verklumpen

Für die Energieumwandlung in der Brennstoffzelle ist die Katalyse an den Elektroden ein Schlüsselfaktor. Da als Katalysatoren wertvolle Edelmetalle wie Platin zum Einsatz kommen, sind Effizienzsteigerungen von zentralem Interesse für den Wasserstoff-Antrieb.


Am DECHEMA-Forschungsinstitut, Mitglied der Zuse-Gemeinschaft, verbessern Wissenschaftler in Kooperation mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC) zur optimalen Nutzung des Platins. Zentrales Ziel: Leistungsverluste beim Einsatz des Edelmetalls während des Betriebs verhindern. Gelingen soll dies, indem das Edelmetall in der Elektrodenstruktur bestmöglich verteilt wird und dort die nötige Stabilität erhält. Dazu arbeiten die Forschenden nicht nur an der Struktur des Platins auf den Elektroden, sondern auch an der des Trägermaterials Kohlenstoff. „Ist der Kohlenstoff zu glatt, neigen die Platinteilchen zum Verklumpen“, erläutert Teamleiter Jean-Francois Drillet. Mit einer neuen mittelporösen Kohlenstoffstruktur wollen die Forscher erreichen, dass die Platinpartikel dort bleiben, wo sie hingehören, ihre Position auch nach Tausenden Betriebsstunden nicht verlassen und ihre ursprüngliche Form und Eigenschaften beibehalten.

Aufgabe des DECHEMA-Forschungsinstituts in dem Verbundprojekt ist es, Platinlegierungen und Kohlenstoffe zu entwickeln, die diesem Anspruch gerecht werden. Zur Herstellung der Kohlenstoffe setzen die Forschenden aus Frankfurt auf ein Verfahren, das u.a. eine flexiblere Einstellung der Porenstruktur des Kohlenstoffs als Trägermaterial für das Platin erlaubt.

Rohstoffe als neuralgischer Punkt

An der Universität des Saarlandes als Verbundpartner im Projekt werden weitere Kohlenstoffstrukturen wie u.a. Graphenoide auf ihre Eignung als Katalysatorträger für das Platin untersucht. Getestet werden die Materialien aus dem DECHEMA-Forschungsinstitut und der Universität Saarland in einer Labor-Brennstoffzelle beim anderen Verbundpartner am ZBT in Duisburg. Zur Steigerung der Effizienz sollen in Duisburg gradierte Katalysatorschichten eingebaut werden.

Der Platinbedarf für die Brennstoffzellenfahrzeuge ist ein neuralgischer Punkt, doch kein Argument für den Verbrennungsmotor. Denn das Gros der heutigen Platinnachfrage kommt schon heute aus der Automobilindustrie, nämlich für 3-Wege-Katalysatoren. Konkret werden von den heute global pro Jahr verarbeiteten rund 170 t Platin ca. 95 t für konventionelle 3-Wege-Katalysatoren verwendet.

Recycling von Platin-Nano-Partikeln als weiteres Forschungsthema

Bei einem durchschnittlichen Bedarf pro Fahrzeug von 30 g Platin für einen 85 kW Elektromotor, würde, mit heutiger Technik, die Menge des für konventionelle Antriebe im Pkw verwendeten Platins für lediglich ca. 3 Millionen Brennstoffzellen-Fahrzeuge reichen. Das zeigt, wie wichtig Fortschritte in der Forschung für eine effizientere Nutzung des Platins sind. Das Recycling von Platin-Nanopartikeln ist daher für Forschung und Entwicklung ein weiteres Schlüsselthema. Aufgrund der Ressourcenknappheit auch für andere Zukunftstechnologien – Stichwort seltene Erden - bietet sich künftig für die Elektromobilität (auf der Straße) ein Mix an, aus Batterien und Wasserstoff-Brennstoffzellen.

Auch in anderen Verbundprojekten mit überregionalen Partnern forschen Institute der Zuse-Gemeinschaft, so z.B. das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) aus Aachen. Solche Kooperationen sind auch Thema der Serie Forschen im vereinten Deutschland, das die Zuse-Gemeinschaft anlässlich des 30-jährigen Jubiläums des Mauerfalls mit dem Hashtag „#FiVD“ mit Forschungshighlights begleitet.

Weblink zum Gra2Kat-Projekt: www.dechema-dfi.de/GRA2KAT.html

Quelle: NOW GmbH

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