Brennstoffzellen gelten als eine der möglichen sauberen Stromquellen der Zukunft. Ihre Funktionsweise basiert darauf, die Energie chemischer Reaktionen direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Verantwortlich dafür sind komplizierte chemische Abläufe, doch noch sind viele Details dieses Vorganges nicht vollständig verstanden. Alexander Opitz von der TU Wien konnte nun genau zeigen, durch welche Reaktionen Sauerstoff-Moleküle in geladene Sauerstoff-Ionen umgewandelt werden und so einen Stromfluss in der Brennstoffzelle erst ermöglichen. Seine Arbeit wurde von der Gesellschaft Deutscher Chemiker mit dem Förderpreis für angewandte Elektrochemie ausgezeichnet.

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten. Alexander Opitz beschäftigt sich mit Hochtemperatur-Brennstoffzellen, sogenannten Festoxid-Brennstoffzellen. Sie führen Wasserstoff und Sauerstoff kontrolliert zu Wassermolekülen zusammen. Der Wasserstoff gibt dabei Elektronen ab, der Sauerstoff nimmt Elektronen auf - dadurch kommt es zu einem Stromfluss. "Wir haben nun genau untersucht, durch welche Reaktionsketten Sauerstoff-Moleküle in geladene Sauerstoff-Ionen umgewandelt werden", erzählt Opitz vom Institut für Chemische Technologien und Analytik. Für diese Umwandlung braucht man einen Katalysator - oft werden Platinpartikel dafür verwendet. Die Sauerstoff-Ionen, die an den Elektroden gebildet werden, wandern dann durch einen Elektrolyten aus speziellen sauerstoffhaltigen Materialien ab.

Mikroskopisch kleine Platinmünzen

"Wir haben uns einem ganz klassischen Modell-Typ der Brennstoffzelle zugewandt: Einer Zelle mit Platinelektroden und einem Elektrolyten aus Zirkoniumdioxid", erklärt Opitz. "Um zu sehen, welche Rolle das Platin dabei spielt, haben wir es ganz gezielt auf dem Elektrolyt-Material aufgebracht." Statt einem porösen Platinschwamm aus zufällig zusammengebackenen Platin-Partikeln, wie in einer gewöhnlichen Brennstoffzelle, wurden geometrisch sauber definierte Platin-Flecken auf Zirkoniumdioxid hergestellt - vergleichbar mit mikroskopisch kleinen Platinmünzen. Das ermöglichte es, ihre Wirkung genau zu studieren.

Sauerstoff kann - an Platin und Zirkoniumdioxid - auf mehrere unterschiedliche Arten reagieren. Manche Reaktionen finden am Rand der mikroskopisch kleinen Platin-Scheibchen statt, andere an der Oberfläche oder im Inneren. Welche chemische Reaktionen überwiegen und das Verhalten der Brennstoffzelle bestimmen, hängt von der Temperatur, der Form und der Größe der Platin-Elektroden ab. Durch Messungen an unterschiedlich großen Platin-Plättchen kann man daher darauf schließen, wie stark die verschiedenen chemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle jeweils zum Stromfluss beitragen. Drei verschiedene Reaktionswege konnte Opitz identifizieren, und es gelang ihm zu zeigen, welche Reaktionen unter welchen Bedingungen das Geschehen in der Brennstoffzelle dominieren.

Sauerstoff durchwandert Platin

Dass die Randzone der Platin-Elektroden bei diesen Vorgängen eine besondere Rolle spielt, war bereits bekannt. "Erstaunlich war allerdings, dass bei mäßig hohen Temperaturen der Sauerstoff auch direkt durch das Platin hindurchwandern kann." berichtet Opitz. "Wenn man die Gesamteffektivität der Brennstoffzelle herausfinden will, darf man das keinesfalls vernachlässigen."

"Es ist für uns sehr wichtig, dass wir dieses Modellsystem nun endlich gut verstehen", betont Opitz. "Mit diesem Wissen kann man sich nun auch kompliziertere Materialien ansehen und vielleicht Stoffe finden, mit denen wir noch effizientere Brennstoffzellen herstellen können als heute." Wichtig sind die Erkenntnisse nicht nur für Brennstoffzellen, sondern genauso für die Elektrolyse. Sie ist gewissermaßen die Umkehrung der Brennstoffzelle: Während in der Brennstoffzelle aus chemischer Energie Strom erzeugt wird, speist man bei der Elektrolyse Strom ein und ruft damit eine chemische Reaktion hervor. (red)