Wasserstofftechnologie Neuer Katalysator soll Kosten von Brennstoffzellen senken

Die Brennstoffzelle gilt als möglicher Antrieb der Zukunft, in dem Mini-Kraftwerk steckt jedoch teures Platin. Der Anteil des Edelmetalls könnte durch einen neuartigen Katalysator sinken.
Brennstoffzellen und die von ihnen angetriebenen Fahrzeuge wie hier auf der Internationalen Automobilausstellung im Jahr 2019 könnten bald erschwinglicher werden

Brennstoffzellen und die von ihnen angetriebenen Fahrzeuge wie hier auf der Internationalen Automobilausstellung im Jahr 2019 könnten bald erschwinglicher werden

Foto: Friedrich Stark / imago images

An der Brennstoffzelle scheiden sich die Geister. Für die einen - wie zum Beispiel den Toyota-Konzern  - ist sie der Energielieferant der Zukunft, der Verbrennungsmotoren im Auto, in schweren Lkw bis hin zu Zügen und Schiffen ersetzen kann. Für andere ist sie dagegen ein Hirngespinst, Tesla-Chef Elon Musk schmäht die im Englischen als "fuel cell" bezeichnete Technik gern als "fool cell": Idiotenzelle .

Bisher fristen Wasserstoff-Pkw im Vergleich zu Batterieautos ein Nischendasein. Ein neuartiger Katalysator  könnte dies nun ändern und so auch dem Wasserstoffauto zum Durchbruch verhelfen - indem er den Antrieb haltbarer und günstiger macht. In einer Brennstoffzelle reagieren Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert miteinander und setzen so Energie frei. Katalysatoren aus Platin beschleunigen diesen Prozess, das Edelmetall ist jedoch teuer.

Platin-Geflecht statt dünner Partikelschicht

Einem internationalen Forscherteam des dänischen "Center for High Entropy Alloy Catalysis" ist es nun gelungen, einen deutlich stabileren Katalysator zu entwickeln, der auch den Bedarf an teurem Platin senkt. Damit könne der Wasserstoffantrieb noch besser für den Straßenverkehr optimiert werden, urteilen die Autoren.

"Bisher wird das Platin, das in Brennstoffzellen als Katalysator dient, in Form von Nanopartikeln auf Kohlenstoffträger aufgetragen", erklärt Matthias Arenz von der Universität Bern, einer der Entwickler des Katalysators.

Dabei soll eine möglichst große Oberfläche entstehen, da auf ihr die Reaktion stattfinden kann. "Die Stabilität und damit die Haltbarkeit dieser Teilchen und auch des Kohlenstoffs ist jedoch begrenzt, sie reagieren zum Beispiel empfindlich auf häufiges An- und Ausschalten", schränkt Arenz ein. Gleichzeitig werden bisherige Katalysatoren und auch der Träger aus Kohlenstoff Arenz zufolge bei steigenden Temperaturen instabil.

Geringerer Platinanteil senkt Kosten

Genau dieses Problem löst der von den Forschern entwickelte neue Katalysator - denn er macht das dünne Beschichten eines Trägers überflüssig. Stattdessen erzeugen die Forscher ein feines Geflecht aus Platin und Kobalt, das sich selbst trage und die gleiche Oberfläche biete wie die bisherige Variante, erklärt Arenz. Dadurch könne man Brennstoffzellen auch bei höheren Temperaturen betreiben.

Die Forscher versprechen sich vom Platin-Kobalt-Geflecht jedoch noch einen weiteren Vorteil: Denn das Gitter biete pro Gramm Platin eine höhere Aktivität als der herkömmliche Katalysator, wodurch man wiederum weniger teures Material einsetzen muss. "Dadurch könnte der Platinanteil in der Brennstoffzelle stark sinken, von etwa 30 bis 50 Gramm pro Auto heute auf rund fünf Gramm", prognostiziert Arenz. Zumindest sei das im Labormaßstab bereits heute erreichbar.

Zweifel an praktischer Umsetzbarkeit

Bis zur Marktreife vergehen Arenz zufolge allerdings noch zehn Jahre - und auch, ob es der Katalysator so weit schafft, ist offenbar unklar. Zwar sei es ein guter Ansatz, die Oberfläche strukturiert zu gestalten und so den Platinbedarf zu reduzieren, sagt Ulrike Krewer, Chemieingenieurin am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Der Katalysator erreicht Krewer zufolge auch eine hohe Leistung unter Laborbedingungen. "Das heißt aber nicht, dass er das auch in einer Brennstoffzelle tut", schränkt die KIT-Forscherin ein.

Viele neuartige Katalysatoren brechen Krewer zufolge zusammen, sobald sie einen Betriebspunkt halten und beispielsweise eine konstante Leistung über mehrere Minuten liefern sollen. Wenn der Katalysator die Laborwerte auch in der Praxis liefern könne, sei er jedoch ein Lichtblick. Ansonsten teile er das Schicksal vieler anderer Innovationen aus der Materialforschung, mahnt Krewer. Denn die schaffen es der Ingenieurin zufolge selten in die Praxis.

Davon sind die Entwickler jedoch überzeugt, das Verfahren sei in industriellem Rahmen skalierbar und könne beispielsweise in der Autoindustrie eingesetzt werden, so Arenz. KIT-Forscherin Krewer sieht jedoch noch ein weiteres Problem: Kohlenstoff ist als Trägermaterial vergleichsweise preiswert. Wenn man durch diesen Verzicht aber mehr Kobalt brauche, sei das nicht sinnvoll. Denn das Metall sei teurer als Kohlenstoff - und wird oft unter schwierigen Bedingungen abgebaut. So steht der Abbau immer wieder wegen illegaler Minen- und Kinderarbeit in der Kritik.

Die Brennstoffzelle ist auf dem richtigen Weg

Gleichzeitig ist der Platinanteil nur ein kleiner Baustein bei der Optimierung der Brennstoffzelle. So entstehen KIT-Ingenierin Krewer zufolge über 80 Prozent der Kosten nicht durch das Edelmetall, sondern in der Produktion der übrigen Bauteile. "Bisher machen die kleinen Stückzahlen die Brennstoffzelle teuer, dieser Faktor ist viel entscheidender als der Platinanteil in der Zelle." Genau das dürfte sich in den nächsten Jahren jedoch ändern:

  • Der Zulieferer Bosch will bis 2022 eigene Brennstoffzellensysteme auf den Markt bringen und die Kosten durch höhere Stückzahlen erheblich reduzieren. Toyota, einer der Pioniere bei Wasserstoff-Pkw, plant die Stückzahlen seines Wasserstoffautos Mirai zu verzehnfachen.

  • Dabei entstehende, innovative Produktionsverfahren werden zwar meist als Firmengeheimnisse eingestuft und deshalb nicht publiziert. Bemerkbar machen sie sich trotzdem. So erklärte Bosch zum Einstieg ins Brennstoffzellengeschäft, man werde "an der Kostenschraube drehen" .

  • Innovationen können der Brennstoffzelle auch indirekt zum Durchbruch verhelfen. Bisher muss Wasserstoff unter hohem Druck gespeichert werden, die entsprechenden Tanks sind teuer. Ein Gerippe aus organischen Molekülen und Metall-Ionen, das der Struktur eines Schwamms  ähnelt und von Forschern der Northwestern University  entwickelt wurde, könnte das ändern. Darin könnten Wasserstoff oder auch Methan bei deutlich niedrigerem Druck gespeichert werden. Entsprechend ausgestattete Tanks könnten deutlich günstiger hergestellt werden. Allerdings ist auch hier die Frage, ob die Technologie es in die Praxis schafft.

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Doch auch heute sinken die Kosten offenbar schon. So sei es den Herstellern bereits gelungen, den Platinanteil auf das Zwei- bis Dreifache des Abgaskatalysators eines Benziners zu reduzieren, erklärt Ulrike Krewer. Ob der neuartige Katalysator sein großes Potenzial auch in der Praxis umsetzen kann und den Platinanteil weiter senkt und Brennstoffzellenautos langlebiger macht, bleibt vorerst unklar - die Zukunft der Wasserstoffmobilität hängt davon aber scheinbar nicht ab. So ist die Brennstoffzellenforschung KIT-Ingenieurin Krewer zufolge auf dem richtigen Weg - "egal, ob sich dieser Katalysator als Durchbruch erweist oder nicht".

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