Hongkong – Eine protonische keramische Brennstoffzelle (PCFC) mit «Rekordleistung» haben Forscher der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) entwickelt. Unter PCFC versteht man Brennstoffzellen, die auf einem keramischen festen Elektrolytmaterial basieren, das Protonen von Anode zu Kathode leitet. Entscheidend für den Erfolg war die Entwicklung eines Kathodenmaterials auf Eisenbasis. Das Team hatte mit relativ billigen Elementen wie Barium (Ba), Eisen (Fe) und Zirkonium (Zr) experimentiert und mithilfe von Computersimulationen und realen Experimenten die ideale Kombination ermittelt.
Verzicht auf Kobalt hilft Umwelt
Die weitverbreitete PCFC-Kommerzialisierung wurde bisher durch den Mangel an leistungsstarken und kostengünstigen Kathodenmaterialien behindert. Derzeit sind Kobalt-basierte Perowskite (hochporöse Keramiken) die am häufigsten verwendeten Kathodenmaterialien. Der Grund: Die Oxidationszahl von Kobalt lässt sich leicht senken und erhöhen, was zu einer überlegenen Sauerstoffreduktionsreaktionsaktivität führt, die für die Leistung der Kathode von entscheidender Bedeutung ist. Kobalt ist jedoch teuer, weil es unter anderem in grossen Mengen zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien benötigt wird. Zudem wird es oft unter menschenunwürdigen Bedingungen bergmännisch abgebaut.
Eisen liegt im Periodensystem nahe an Kobalt. Beide Metalle haben viele ähnliche chemische Eigenschaften, doch Eisen ist viel billiger. Bisher eingesetzte eisenbasierte Kathoden zeigen unbefriedigende Leistungen. Die HKUST-Forscher unter der Leitung von Francesco Ciucci vom Department of Mechanical & Aerospace Engineering und dem Department of Chemical & Biological Engineering ahnten, dass es, um das zu ändern, darauf ankommt, die Zutaten fein aufeinander abzustimmen, um die Leistung zu erhöhen.
Für zu dekarbonisierende Bereiche
D-BFZ hat eine aussergewöhnliche elektrochemische Aktivität, was zur Spitzenleistungsdichte führt. Zudem hat das Material eine lange Lebensdauer, was die Kosten der Brennstoffzellen, die damit ausgestattet sind, weiter senkt. Darüber hinaus lässt sich D-BFZ mit einfachen, massenproduktionstauglichen Synthesetechniken herstellen, was ein wichtiger Schritt zur Realisierung kommerziell nutzbarer PCFCs ist. «Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie PCFCs werden enorme Auswirkungen auf schwer zu dekarbonisierende Sektoren wie die Eisen- und Stahlindustrie, die Ammoniakproduktion und den Schwerlasttransport haben», glaubt Ciucci. (pte/mc/ps)