Eine Methode, die den Weg für verbesserte Brennstoffzellenfahrzeuge ebnet

19.08.2024

Effizientere und langlebigere Brennstoffzellen sind eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass wasserstoffbetriebene Schwerlastfahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb eine Alternative zu ihren mit Verbrennungsmotoren betriebenen Pendants darstellen können. Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben eine innovative Methode entwickelt, um zu untersuchen und zu verstehen, wie sich Teile von Brennstoffzellen im Laufe der Zeit abbauen. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer verbesserten Leistung von Brennstoffzellen und zu deren kommerziellem Erfolg.

Wasserstoff ist ein alternativer Kraftstoff, der für schwere Nutzfahrzeuge immer interessanter wird. Wasserstoffbetriebene Fahrzeuge stoßen nur Wasserdampf als Abgas aus, und wenn der Wasserstoff mit erneuerbarer Energie erzeugt wird, ist er völlig frei von Kohlendioxidemissionen. Im Gegensatz zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen müssen wasserstoffbetriebene Fahrzeuge das Stromnetz nicht belasten, da Wasserstoff dann erzeugt und gespeichert werden kann, wenn der Strom günstig ist. Bei einigen wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen erfolgt der Antrieb über eine so genannte Brennstoffzelle. Wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge haben jedoch nur eine relativ kurze Lebensdauer, da sich die Komponenten der Brennstoffzelle, wie Elektroden und Membranen, mit der Zeit abnutzen. Diesem Problem widmet sich die neue Studie.

Forscher der Chalmers University of Technology haben eine neue Methode entwickelt, um zu untersuchen, was die Alterung von Brennstoffzellen beeinflusst, indem sie ein bestimmtes Partikel in der Brennstoffzelle während der Nutzung verfolgen. Das Forscherteam hat eine ganze Brennstoffzelle untersucht, indem es sie in regelmäßigen Abständen auseinander genommen hat. Mit Hilfe fortschrittlicher Elektronenmikroskope konnten sie dann verfolgen, wie sich die Kathodenelektrode in bestimmten Bereichen während der Nutzungszyklen abbaut. Bisherige Studien wurden an so genannten Halbzellen durchgeführt, die der Hälfte einer Brennstoffzelle ähneln (aber nicht mit ihr identisch sind) und unter Bedingungen arbeiten, die sich deutlich von denen der echten Brennstoffzelle unterscheiden.

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Besseres Verständnis mit neuer experimenteller Methode

"Bisher ging man davon aus, dass die Leistung beeinträchtigt wird, wenn die Brennstoffzelle zerlegt und auf diese Weise untersucht wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Annahme nicht zutrifft, was überraschend ist", sagt der Forschungsleiter Björn Wickman, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik in Chalmers.

Die Chalmers-Forscher konnten untersuchen, wie sich das Material in der Brennstoffzelle sowohl auf Nano- als auch auf Mikroebene zersetzt, und genau feststellen, wann und wo die Zersetzung stattfindet. Dies liefert wertvolle Informationen für die Entwicklung neuer und verbesserter Brennstoffzellen mit einer längeren Lebensdauer.

"Bisher haben wir uns nur angesehen, wie die Brennstoffzelle nach der Nutzung gealtert ist, jetzt können wir auch das mittlere Stadium betrachten", sagt die Doktorandin Linnéa Strandberg von Chalmers. "Die Möglichkeit, ein einzelnes, ausgewähltes Partikel in einem bestimmten Bereich zu verfolgen, ermöglicht ein viel besseres Verständnis der Abbauprozesse. Eine bessere Kenntnis dieser Prozesse ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung neuer Materialien für Brennstoffzellen oder zur Anpassung der Steuerung der Brennstoffzelle."

Neue Methode ebnet den Weg für langlebigere Brennstoffzellen

Das U.S. Department of Energy (DOE) hat darauf hingewiesen, dass eine verbesserte Lebensdauer von Brennstoffzellen eines der wichtigsten Ziele ist, die erreicht werden müssen, bevor brennstoffzellenbetriebene Wasserstofffahrzeuge kommerziell erfolgreich werden können. Nach Angaben der Industrie muss ein Lkw während seiner Lebensdauer 20.000 bis 30.000 Fahrstunden überstehen, was ein brennstoffzellenbetriebener Wasserstoff-Lkw heute nicht leisten kann.

"Wir haben jetzt eine Grundlage für die Entwicklung besserer Brennstoffzellen geschaffen. Wir wissen jetzt mehr über die Prozesse, die in der Brennstoffzelle ablaufen und zu welchem Zeitpunkt während der Lebensdauer der Brennstoffzelle sie auftreten. In Zukunft werden wir die Methode nutzen, um neue Materialien zu entwickeln und zu untersuchen, die der Brennstoffzelle eine längere Lebensdauer verleihen können", sagt Björn Wickman.

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Originalveröffentlichung

Linnéa Strandberg, Victor Shokhen, Magnus Skoglundh, Björn Wickman; "Carbon Support Corrosion in PEMFCs Followed by Identical Location Electron Microscopy"; ACS Catalysis, Volume 14, 2024-5-16

https://www.chemie.de/news/1184221/eine-methode-die-den-weg-fuer-verbesserte-brennstoffzellenfahrzeuge-ebnet.html

Originalveröffentlichung

Linnéa Strandberg, Victor Shokhen, Magnus Skoglundh, Björn Wickman; "Carbon Support Corrosion in PEMFCs Followed by Identical Location Electron Microscopy"; ACS Catalysis, Volume 14, 2024-5-16

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