Entwicklung ohne Platin

Test & Technik

Edelmetallfreie Brennstoffzellen können eine Lösung zur Kostenreduktion bieten. Das Institut Next Energy forscht daran. Der Weg führt über ein alkalisches Medium mit ganz neuen Herausforderungen.

13. April 2010

••• Seit Mitte November letzten Jahres gibt es sie die neue Fachgruppe ›Alternative Membrantechnologien‹ in der Landesinitiative Brennstoffzelle und Batterietechnologie Niedersachsen. Zweck solcher Gruppen innerhalb der Initiative ist es, Synergien zu nutzen und thematisch zu bündeln. Erste Möglichkeiten der Gruppe dazu gibt es am 27. April, wo die Experten aus Wissenschaft und Forschung gemeinsam mit der Fachgruppe ›PEM-Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen‹ zu einem Arbeitstreffen zusammenkommen.

»Die Fachgruppe Alternative Membrantechnologien besteht, weil die in derzeitigen Demonstrationsprojekten eingesetzten Membranen noch nicht den tech-nischen Reifegrad besitzen, den eine Markteinführung in einigen wichtigen Marktsegmenten benötigt«, erklärt Olaf Conrad, Leiter der Brennstoffzellen-Forschung am EWE-Forschungszentrum für Energietechnologie Next Energy. Gemeinsam mit Gudrun Schmidt, Professorin an der TU Clausthal, hat er die Koordination der Fachgruppe übernommen. »Neben der Möglichkeit, diese Reife durch Verbesserung der heutigen Technologie zu erreichen, sollen in dieser Fachgruppe alternative Technologien gefördert werden.« Dazu zählen auch alkalische Anionentauscher (AE) für edelmetallfreie Brennstoffzellen ein Forschungsschwerpunkt des An-Instituts der Universität Oldenburg.

Platin als Kostenfaktor inder Serienproduktion

So wird das Edelmetall Platin in den herkömmlichen sauren Brennstoffzellen als Katalysator eingesetzt. Prognosen gehen davon aus, dass allein dieses Material in der Serienproduktion ungefähr 50 Prozent der Gesamtkosten ausmachen wird. »Für weitere Kostenreduktionen muss der Preis des Katalysators verringert werden, und das geht am besten durch den Ersatz von Platin mit billigeren Materialien«, erläutert Conrad. Ein weiterer Punkt sei, dass die Förderrate von Platin mit den zur Kostensenkung notwendigen Wachstumsraten im Brennstoffzellenmarkt nicht Schritt halten könne auch wenn ausreichend Platin auf der Erde vorhanden sei. »Wir sehen die Gefahr, dass sowohl reale Lieferengpässe als auch Unwägbarkeiten des Spekulationsmarktes für Platin zu schwer kalkulierbaren Kostenrisiken werden, die die für Kostensenkungen notwendigen Wachstumsraten bei dem Einsatz von Brennstoffzellen begrenzen«, so Conrad weiter, »Vor diesem Hintergrund gehen wir davon aus, dass für ein realistisches Zukunftsszenario mit Brennstoffzellen zumindest ein technologischer Pfad zu platinfreien Brennstoffzellen erkennbar sein muss, um den Entscheidungsträgern Werkzeuge zur Risikominimierung an die Hand zu geben.«

Dabei gab es in den Anfängen der Brennstoffzellenentwicklung sowohl saure als auch alkalische Ansätze. Mit alkalischem Elektrolyt haben Wissenschaftler damals eine wesentlich breitere Auswahl an Katalysatormaterialien erfolgreich getestet. Anfänglich war die Brennstoffzelle mit alkalischem Elektrolyt auch technisch führend. Das hat sich in den Sechzigerjahren geändert, als Forscher mit sulfonierten Polymeren ein Material entwickelten, das Protonenleitung ohne flüssigen Elektrolyten ermöglichte. Für alkalische Elektrolyte gab es zu dem Zeitpunkt keine entsprechende Entwicklung, und die Fortschritte konzentrierten sich auf die alternative BZ.

Der Hauptgrund für die Verwendung von Platin in diesen herkömmlichen Brennstoffzellen liegt in der aggressiven, sauren Umgebung, in der die Katalysatoren über lange Zeit stabil und aktiv sein müssen. »Trotz jahrzehntelanger intensiver weltweiter Anstrengungen ist es bislang nicht gelungen ein platinfreies Ersatzmaterial zu finden«, führt Conrad aus.

Denn bei hohem Potenzial und niedrigem pH-Wert lösen sich die allermeisten Metalle in Kontakt mit Wasser auf. Selbst Platin neigt unter extremen Bedingungen zur Auflösung, und solche Bedingungen sind in herkömmlichen Brennstoffzellen nur schwer zu vermeiden.

Ganz anders ist die Situation bei hohem pH-Wert, unter alkalischen Bedingungen. Hier sind viele Metalle stabil oder werden durch eine sich bildende stabile Schutzschicht vor der Auflösung geschützt. Zusätzlich gibt es eine ganze Reihe von Verbindungen, die ebenfalls für alkalische Brennstoffzellen geeignet sind. »Deshalb beginnen wir unsere Forschung bei der Entwicklung von geeigneten Materialien, die eine alkalische Umgebung in der Brennstoffzelle sicherstellen.«

Herausforderung bei der Membranentwicklung

Da der alkalischen Brennstoffzelle ein flüssiger Elektrolyt zugrunde liegt, ist sie in ihrer Betriebsführung sehr komplex. Denn flüssige Elektrolyten müssen kontinuierlich umgewälzt, gereinigt und ersetzt werden. »Hier wollen wir ansetzen und feste Polymerelektrolyte entwickeln, die in Membranform Hydroxid-Ionen und Bikarbonat-Ionen leiten können. Dabei liegt unser Schwerpunkt auf der hydrolytischen Stabilität des Polymers.«

Denn die wasserunterstützte Hydroxidionenleitung in Polymerelektrolyten ist grundsätzlich bereits erfolgreich entwickelt worden und kommerziell verfügbar, so Conrad weiter. Die dabei eingesetzte Stoffklasse, sogenannte quaternäre Amine, sei allerdings sehr anfällig für Zersetzung im Brennstoffzellenbetrieb. »Die Lebenszeiten dieser Membranen sind also kurz, vor allem wenn die Brennstoffzelle im interessanten Temperaturbereich von 80 bis 90°C betrieben werden soll.«

Die größte Herausforderung bestehe somit darin, ein Polymermaterial zu entwickeln, dass in Membranform Hydroxidionen leitet und ausreichend lange Betriebstemperaturen von etwa 90 °C verträgt. »Die nachgeschaltete zweite große Herausforderung ist dann eine effektive Elektrodenanbindung an ein solches Membranmaterial.« Für die effektive Anbindung von Gasdiffusionselektroden an neuentwickelte Membranen sei es unerlässlich, dass der der Membran zugrundeliegende Polymerelektrolyt auch in die Elektrodenstruktur eingebracht werden kann. »Unser Ansatz ist es, dass Polymerelektrolyte einer Membranneuentwicklung zeitgleich als Dispersion entwickelt werden.«

Als eine weitere Herausforderung müssten auch in der Systemauslegung einige Änderungen gegenüber PEM-Brennstoffzellen erfolgen, die sich vor allem aus der umgekehrten Stofftransportrichtung ergeben. Besonders augenfällig sei hier das Wassermanagement, das alle Probleme der PEM-Technologie mit umgekehrtem Vorzeichen wiederauferstehen lasse.

»Aus dieser Auflistung leitet sich auch unsere Schwerpunktsetzung ab: Wir bearbeiten das Thema Anionentauschermembran grundsätzlich bei der Polymersynthese«, so Conrad abschließend, »Dabei behalten wir die spätere Verfügbarkeit von Polymersuspensionen oder -lösungen im Auge, die für eine effektive Elektrodenanbindung wichtig ist. Und wir bauen ein prototypisches AEM-Brennstoffzellensystem auf, bei dem wir Wassermanagement und Materialauswahl als Entwicklungsschwerpunkte definiert haben.«

Alkalische Brennstoffzellen gäben den Wissenschaftlern und Ingenieuren die Möglichkeit, aus einer größeren Auswahl an möglichen Materialien die richtige Kombination zu entwickeln. »Man muss aber fairerweise sagen, dass die Forschung hier noch am Anfang steht und eine konkrete Aussage über Einsparungen oder Lebensdauer reine Spekulation wäre.« Ihre Forschung eröffne zunächst nur den Zugang zu einer neuen Herangehensweise zur Kostenreduktion. »Wir hoffen, dass durch erste Erfolge bei der Erforschung von platinfreien Alternativen eine Perspektive für einen wahren Massenmarkt mit Brennstoffzellen aufgezeigt werden kann, der den bisher eingeschlagenen Weg mit Platin als wichtige Teiletappe begreift und weitere Investitionen auch in diesem Bereich als unbedingt notwendig erkennt.« •••

Erschienen in Ausgabe: 01/2010