Science
21.06.2017

Wie Protonen durch Brennstoffzellen hüpfen

Forscher haben in der Schweiz mit Experimenten dokumentiert, wie sich positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen) durch eine Brennstoffzelle bewegen.

Dabei haben sie ein für Protonen bisher nur theoretisches Bewegungsmodell belegt. Strom aus erneuerbaren Quellen lässt sich zur Produktion von Wasserstoff verwenden und in dieser Form speichern. Wasserstoff ist damit einer der Hoffnungsträger für eine sauberere Energiezukunft. Damit sich Wasserstoff möglichst effizient wieder in Strom umwandeln lässt, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, gilt es, Brennstoffzellen zu optimieren.

Eine Grundlage dafür haben der Physiker Artur Braun von der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) und die Doktorandin Qianli Chen von der ETH Zürich geschaffen: Sie haben die Beweglichkeit von positiv geladenen Wasserstoff-Ionen im Kristallgitter keramischer Brennstoffzellen entschlüsselt, wie die Empa am Mittwoch mitteilte. Demnach folgt die Protonen-Bewegung komplexeren Gesetzmäßigkeiten als bisher angenommen, nämlich denen des sogenannten Polaronen-Modells, wie die Forscher im Fachblatt "Nature Communications" berichteten. Bisher galt dieses Modell nur für Elektronen und war für Protonen rein spekulative Theorie.

Hohe Temperaturen

Das Polaronen-Modell beschreibt, wie sich Elektronen durch einen dielektrischen Kristall zwängen und dabei störende Atome aus dem Weg drücken, schrieb die Empa. Man kann sich die Bewegung auch wie ein Hüpfen von Position zu Position vorstellen. Braun und Chen konnten durch ihre Experimente nun auch die Existenz von Proton-Polaronen belegen, die durch den Kristall "hüpfen". Dafür führten sie Experimente mit Kristallen unter verschiedenen Hochdruckbedingungen und bei Temperaturen bis zu 600 Grad Celsius durch.

Dabei beobachteten sie, dass die Leitfähigkeit bei Temperaturen zwischen 220 und 520 Grad stieg, und zwar mit den zunehmenden Gitterschwingungen im Kristall. Zunächst seien die Protonen im Kristallgitter gebunden, mit zunehmender Erwärmung und Gitterschwingung können sie jedoch immer besser durch den Kristall von Position zu Position springen. Unter hohem Druck bleibe jedoch weniger Platz für die Protonen-Sprünge und die Leitfähigkeit nimmt wieder ab, erklärte die Empa.

Die Erkenntnisse könnten wichtige Hinweise für die Auswahl der Materialien für Brennstoffzellen und Wasserstoffspeichern geben. Außerdem lasse sich das Verhalten von keramischen Isolatoren damit besser abschätzen - wichtige Informationen also, um die Energieumwandlung mit Brennstoffzellen künftig noch effizienter zu machen.