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08.11.2011

Reaktionen in der Brennstoffzelle entschlüsselt


An der Technischen Universität (TU) Wien konnte gezeigt werden, wie Sauerstoff in Brennstoffzellen für elektrischen Strom sorgt. Alexander Opitz erhielt dafür eine Auszeichnung der Gesellschaft Deutscher Chemiker.

Unser Körper braucht weder Solarzellen noch Atomkraftwerke - wie alle Lebewesen nützen wir chemische Energie. Dieser Weg lässt sich auch in der Technik beschreiten, zum Beispiel mit Hilfe von Brennstoffzellen. Sie wandeln die Energie chemischer Reaktionen direkt in elektrische Energie um. Komplizierte chemische Abläufe sind dafür verantwortlich, und noch immer hat man viele Details nicht vollständig verstanden. Alexander Opitz von der TU Wien konnte nun allerdings genau zeigen, 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.

Vom Molekül zum elektrisch geladenen Teilchen

Es gibt unterschiedliche 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 Alexander Opitz vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. 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.

Die kleinsten Platinmünzen der Welt

"Wir haben uns einem ganz klassischen Modell-Typ der Brennstoffzelle zugewandt: Einer Zelle mit Platinelektroden und einem Elektrolyten aus Zirkoniumdioxid", erklärt Alexander 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.

Unterschiedliche Reaktionen an unterschiedlichen Orten

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 Alexander Opitz identifizieren, und es gelang ihm 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 Alexander Opitz. "Wenn man die Gesamteffektivität der Brennstoffzelle herausfinden will, darf man das keinesfalls vernachlässigen."

Auf der Suche nach besseren Materialien

"Es ist für uns sehr wichtig, dass wir dieses Modellsystem nun endlich gut verstehen", betont Alexander 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.

Forschungspreis der Gesellschaft Deutscher Chemiker

Die Fachgruppe Angewandte Elektrochemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker zeichnet jährlich herausragende wissenschaftliche Arbeiten aus - die Dissertation von Alexander Opitz wurde heuer mit diesem Preis prämiert. Opitz ist mittlerweile als Assistent an der TU Wien angestellt, die Auszeichnung ist für ihn ein weiterer Ansporn, seine Forschungsarbeit voranzutreiben. Denn auch, wenn die Reaktionspfade des Sauerstoffes zwischen Platin und Zirkoniumdioxid gut verstanden sind: "Zu forschen haben wir auf dem Gebiet bestimmt noch lange genug", ist Alexander Opitz sicher.

Quelle: Technische Universität Wien/Institut für Chemische Technologien und Analytik




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