Reaktionen in Brennstoffzellen entschlüsselt

Unser Körper braucht weder Solarzellen noch Atomkraftwerke – wie alle Lebewesen nützen wir chemische Energie. Das funktioniert auch in der Technik und zwar mit Hilfe von Brennstoffzellen. Sie wandeln die Energie chemischer Reaktionen direkt in elektrische Energie um. Dafür sind komplizierte chemische Abläufe verantwortlich.

Alexander Opitz untersuchte auf der TU Wien, durch welche Reaktionen Sauerstoff-Moleküle in geladene Sauerstoff-Ionen umgewandelt werden und so einen Stromfluss in der Brennstoffzelle ermöglichen. Seine Arbeit wurde von der Gesellschaft Deutscher Chemiker mit dem Förderpreis für angewandte Elektrochemie ausgezeichnet.

Opitz beschäftigte sich dabei mit Hochtemperatur-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. 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.

Platinmünzen
„Wir haben uns einem ganz klassischen Modell-Typ der Brennstoffzelle zugewandt: Einer Zelle mit Platinelektroden und einem Elektrolyten aus Zirkoniumdioxid“, erklärt Opitz. Daraufhin wurde die Rolle des Platins bei dem Vorgang untersucht. Statt einem porösen Platinschwamm aus zufällig zusammengebackenen Platin-Partikeln wurden geometrisch sauber definierte Platin-Flecken auf Zirkoniumdioxid hergestellt – vergleichbar mit mikroskopisch kleinen Platinmünzen. Das ermöglichte es, die 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.

Unterschiedliche Reaktionen
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. Opitz konnte drei verschiedene Reaktionswege identifizieren. Es gelang ihm zudem zu zeigen, welche Reaktionen unter welchen Bedingungen das Geschehen in der Brennstoffzelle dominieren.

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. Je besser die Materialien erforscht sind, desto einfacher ist es, Stoffe zu finden, mit denen sich noch effizientere Brennstoffzellen herstellen lassen als bisher möglich war. „Zu forschen haben wir auf dem Gebiet bestimmt noch lange genug“, ist Opitz sicher.