Material für kühleren Betrieb von Festoxid-Brennstoffzellen verbessert

27. März 2017, 18:50
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Studie zeigt, wie das Material LSC Festoxid-Brennstoffzellen effizienter machen könnte

Wien – Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) haben einen hohen Wirkungsgrad und eignen sich für den Dauerbetrieb, etwa zur Stromerzeugung in Kraftwerken. Sie laufen aber nur bei 700 bis 1.000 Grad Celsius. Als aussichtsreicher Kandidat, SOFC auch bei niederer Temperatur zu betreiben, gilt das Strontium-dotiertes Lanthancobaltat (LSC). Wiener Chemiker haben nun ein Verfahren entwickelt, um die Oberfläche des Materials gezielt zu verändern und zu optimieren.

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um, etwa durch die Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser. An der Kathode, also dem positiven Pol der Brennstoffzelle, wird Sauerstoff (O) aus der Luft in die Keramikschicht eingebaut und ionisiert. Elektrisch geladen wandert der Sauerstoff dann durch das Material zur negativ geladenen Anode, wo er mit dem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, reagiert. Damit diese Reaktionen möglichst effizient ablaufen, benötigt man langlebige Katalysatoren.

Gezielte Messung

"Der Flaschenhals dieses Prozesses ist der Sauerstoffeinbau an der Kathode", erklärte Ghislain Rupp von der Technischen Universität (TU) Wien. Die derzeit verwendeten Materialien seien weniger aktiv, weshalb man die Temperatur erhöhen müsse, damit der Prozess ausreichend schnell ist. Dies verkürze aber die Lebensdauer der Brennstoffzellen, so Rupp.

Um SOFC bei "niedrigen" Temperatur um 600 Grad Celsius betreiben zu können, ist LSC vielversprechend, das als sehr dünne Schicht auf den Elektrolyten aufgebracht wird. Doch dieser Katalysator ist nicht langfristig stabil, seine Aktivität und damit die Leistung der Brennstoffzelle verringern sich. Warum das so ist, war bisher unklar.

Das Team um Jürgen Fleig und Rupp hat nun ein Verfahren entwickelt, um die LSC-Oberfläche gezielt zu verändern und gleichzeitig zu messen, wie sich das auf die elektrischen Eigenschaften der Brennstoffzelle auswirkt. Sie berichten darüber im Fachjournal "Nature Materials". Dazu verdampfen sie mittels Laserpuls verschiedene Materialien, die sich an der Oberfläche anlagern.

Strontiumansammlung

"Bisher gingen wir davon aus, dass sich an der Oberfläche eine bunte Mischung aus Strontium, Lanthan und Kobalt befindet, tatsächlich ist es aber vor allem Strontium", so Rupp. Nur wenige Kobaltatome an der Oberfläche seien für den schnellen Einbau des Sauerstoffs verantwortlich. Im Laufe der Zeit wandern zudem Strontium-Atome aus dem Inneren des Materials an die Oberfläche, und zwar ausgerechnet dorthin, wo die aktiven Kobaltzentren sitzen, die dadurch inaktiviert werden. Neu hinzugefügte Kobalt-Atome bringen die hohe Aktivität jedoch wieder zurück.

Im nächsten Schritt wollen die Wissenschafter herausfinden, wie man dauerhaft verhindert, dass sich so viel Strontium an der Oberfläche sammelt und wie man mehr aktives Kobalt dorthin bringt. Dies könnte etwa durch andere Herstellungsbedingungen, Mischungsverhältnisse oder neue Beimischungen gelingen. (APA, 27.3.2017)

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