Wissenschaftler arbeiten an neuem Brennstoffzellentyp


Amerikanische Wissenschaftler entwickeln einen neuen Brennstoffzellentyp: Die so genannte Solid-Acid-Brennstoffzelle (SAFC) arbeitet ähnlich wie eine PEM-Brennstoffzelle, besitzt jedoch keine temperaturempfindliche Membran. Stattdessen trennt ein kristallines Gitter eines sauren Salzes Wasserstoff und Sauerstoff voneinander. Die Vorteile einer solchen Zelle liegen in der höheren Arbeitstemperatur und der kostengünstigeren Bauweise.

Brennstoffzellenfahrzeuge wie dieses Motorrad laufen bisher ausschließlich mit PEM-Brennstoffzellen. SAFCs könnten die Antriebssysteme künftig billiger machen, vermuten amerikanische Forscher. Foto: Intelligent Energy

Die elektrochemische Reaktion in der SAFC entspricht im Prinzip den Vorgängen, die auch in der PEM Strom und Wärme liefern: Der gasförmige Wasserstoff gibt an der Anode seine Elektronen ab, die über eine externe Leitung zur Kathode fließen. Zurück bleiben die positiv geladenen Wasserstoffionen, die durch die Membran zur Kathode wandern.

Anstelle des hauchdünnen Polymer-Materials einer solchen Membran in der PEM setzen die Forscher vom California Institut of Technology (CalTech) in Pasadena saure Salze wie Caesiumhydrogensulfat (CsHSO4) ein. Diese Feststoffe bestehen aus einem regelmäßigen Kristallgitter. Die darin eingebauten negativen HSO4-Ionen können sich bei höheren Temperaturen um sich selbst drehen und dabei Wasserstoffionen an ihre Nachbarn abgeben. So können diese durch das Material wandern – ähnlich wie durch die Membran einer PEM.

Der Vorteil einer solchen Zelle ist, dass sie auch bei Temperaturen von über 100 Grad Celsius arbeiten kann. Bei einer herkömmlichen PEM darf diese Temperatur nicht überschritten werden, da sonst das für die Leitfähigkeit der Membran erforderliche Wasser verdampft und die Membran austrocknet. Höhere Temperaturen bieten jedoch eine ganze Reihe von Vorteilen: Der verwendete Wasserstoff muss nicht mehr so rein sein und es wird nicht mehr so viel teures Katalysatormaterial benötigt. Zudem wird die Kühlung des Systems einfacher, was für die Anwendung in Fahrzeugen ein Vorteil sein kann.

Allerdings haben die Entwickler vom CalTech auch bei der Entwicklung der SAFC eine ganze Reihe von Hürden zu überwinden. So kann das Wasser, das sich zwangsläufig bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff an der Kathode bildet, das saure Salz lösen und damit den Elektrolyten zerstören. Dem begegnen die Entwickler, indem sie die Temperaturen über 100 Grad Celsius halten, denn Wasserdampf kann dem Material nichts anhaben.

Auch kann der Wasserstoff mit dem Schwefel in der Verbindung reagieren – ein Problem, das die Forscher lösen können, indem sie das Schwefelsäuresalz durch ein Phosphorsäuresalz ersetzen. Als dritte Schwierigkeit schließlich haben sie damit zu kämpfen, dass der Wasserstoff bei hohen Temperaturen mit dem Sauerstoff in der Verbindung zu Wasser reagiert, was den Elektrolyten nach und nach auflöst. Mit der Zugabe kleiner Mengen von Wasserdampf im Elektrolyten hoffen die Wissenschaftler jedoch, auch dieses Problem lösen zu können.

Bevor die SAFC auch nur annähernd Marktreife erlangt, haben die Entwickler, die mit Unterstützung des norwegischen Energie- und Technologiekonzerns Hydro arbeiten, also noch viel Forschungsarbeit zu erledigen. Neben den höheren Arbeitstemperaturen sehen die Wissenschaftler in der SAFC-Technologie vor allem einen Vorteil: Da die eingesetzten Materialien günstiger sind, könnten die Zellen einmal billiger herzustellen sein als PEMs. (Quelle: IBZ; Ulrich Dewald)


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