Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Warum der Brennstoffzelle die Luft wegbleibt

28.03.2017

Eine Brennstoffzelle braucht ein Oxidationsmittel – etwa Sauerstoff. An der TU Wien kann man nun erklären, warum er manchmal nur noch schlecht eindringt und die Zellen unbrauchbar werden.

Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrischen Strom aus einer einfachen chemischen Reaktion – zum Beispiel der Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser. Knifflig ist allerdings die Frage, woraus man keramische Brennstoffzellen am besten herstellt. Neue Materialien werden benötigt, die möglichst effizient als Katalysator für die gewünschte chemische Reaktion dienen, aber auch möglichst lange halten ohne sich zu verändern.


An manchen Stellen der Oberfläche kann Sauerstoff viel leichter eindringen als an anderen.

TU Wien


Mit gepulsten Lasern wird die passende Oberfläche erzeugt.

TU Wien

Bisher war man beim Entwickeln solcher Materialien oft auf Versuch und Irrtum angewiesen. An der TU Wien gelang es nun, die Oberfläche von Brennstoffzellen auf atomarer Skala gezielt zu verändern und gleichzeitig zu vermessen. So lassen sich nun wichtige Phänomene erstmals erklären – etwa, warum Strontium-Atome Spielverderber sind, oder dass Kobalt für Brennstoffzellen nützlich sein kann.

Sauerstoff-Nachschub als Flaschenhals

An der Kathode, dem positiven Pol der Brennstoffzelle, wird Sauerstoff aus der Luft in das Brennstoffzellen-Material eingebaut. Elektrisch geladene Sauerstoff-Ionen müssen dann durch das Material hindurchwandern und auf der negativ geladenen Seite, der Anode mit dem Brennstoff reagieren – zum Beispiel mit Wasserstoff.

„Der Flaschenhals dieses Gesamtprozesses ist der Sauerstoffeinbau an der Kathode“, erklärt Ghislain Rupp aus der Forschungsgruppe von Prof. Jürgen Fleig vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. Zum selben Institut gehört das Team von Prof. Andreas Limbeck, das ebenfalls am Forschungsprojekt beteiligt war.

Damit der Sauerstoffeinbau ausreichend schnell abläuft, muss man die Brennstoffzellen bei sehr hohen Temperaturen betreiben – bei etwa 700 bis 1000 Grad Celsius. Schon seit längerer Zeit ist man auf der Suche nach besseren Kathodenmaterialien, die eine niedrigere Betriebstemperatur erlauben. „Man kennt einige besonders interessante Kandidaten, zum Beispiel Strontium-dotiertes Lanthancobaltat, kurz LSC“, sagt Ghislain Rupp. Das große Problem dabei ist, dass diese Materialien nicht langfristig stabil bleiben. Irgendwann nimmt die Aktivität ab, die Leistung der Brennstoffzelle verringert sich. Über die genaue Ursache dafür gab es bisher nur Vermutungen.

Oberfläche gezielt verändert

Klar war allerdings: Die Oberfläche der Kathode, an der sich der Sauerstoff festsetzen und dann in die Brennstoffzelle wandern soll, spielt eine entscheidende Rolle. Daher entwickelte man an der TU Wien ein Verfahren, die Oberfläche gezielt zu verändern und gleichzeitig zu messen, wie sich das auf die elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle auswirkt.

„Mit einem Laserpuls verdampfen wir verschiedene Materialien, die sich dann in winzigen Mengen an der Oberfläche anlagern“, erklärt Rupp. „So können wir fein dosiert die Zusammensetzung der Kathoden-Oberfläche modifizieren und gleichzeitig beobachten, wie sich dabei der Widerstand des Systems verändert.“

Zu viel Strontium schadet

So konnte man zeigen, dass Strontium-reiches Material an der Oberfläche schadet: „Wenn an der Oberfläche Strontium-Atome dominieren, wird Sauerstoff nur sehr schwer eingebaut“, sagt Rupp. „Die Kathodenoberfläche nimmt den Sauerstoff auf sehr inhomogene Weise auf: An bevorzugten Plätzen, etwa dort, wo Kobalt-Atome sitzen, funktioniert der Sauerstoff-Einbau gut, dort wo Strontium dominiert, gelangt kaum Sauerstoff in die Kathode.“ Das erklärt auch, warum die Brennstoffzellen mit der Zeit immer schlechter werden: Das Strontium aus dem Inneren des Materials wandert an die Oberfläche und bedeckt eben jene aktiven Kobalt-Zentren - der Brennstoffzelle bleibt die Luft weg.

Diese Ergebnisse liefern wichtige Hinweise darauf, wie der Sauerstoffeinbau grundsätzlich in Materialien wie LSC abläuft und welche Vorgänge für den Leistungsabfall von Brennstoffzellen verantwortlich sind. „Wir sind damit dem technischen Einsatz des Materials LSC für Brennstoffzellen einen wichtigen Schritt näher gekommen“, glaubt Rupp, „und unsere neue Untersuchungsmethode, die hochpräzise Beschichtung mit elektrischer Vermessung vereint, wird sicher auch in anderen Bereichen der Festkörperionik noch eine wichtige Rolle spielen.“

Originalpublikation:Ghislain M. Rupp et al, Real-time impedance monitoring of oxygen reduction during surface modification of thin film cathodes, Nature Materials, 2017. DOI: 10.1038/nmat4879

Bilderdownload: https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2017/brennstoffzelle

Rückfragehinweis:
Dr. Ghislain Rupp
Institut für Chemische Technologien und Analytik
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T: +43 664 4112728
ghislain.rupp@tuwien.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Studie entschlüsselt neue Diabetes-Gene
22.01.2018 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

nachricht Forschungsteam schafft neue Möglichkeiten für Medizin und Materialwissenschaft
22.01.2018 | Humboldt-Universität zu Berlin

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungen

Transferkonferenz Digitalisierung und Innovation

22.01.2018 | Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Forschungsteam schafft neue Möglichkeiten für Medizin und Materialwissenschaft

22.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Ein Haus mit zwei Gesichtern

22.01.2018 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics