Forscher haben eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, die Stromgewinnung aus Wasserstoff entscheidend voranbringen könnte. Sie ist kostengünstig und nachhaltiger als bisherige Ansätze.
Forschern der Kyushu University ist ein Durchbruch bei der Entwicklung von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFCs) gelungen. Dieser könnte zu großen Fortschritten bei der Wasserstoffenergie führen. Die Wissenschaftler haben ein Material entwickelt, das eine außergewöhnlich hohe Protonenleitfähigkeit bei einer Betriebstemperatur von nur 300 Grad Celsius aufweist.
Das ist ein großer Fortschritt, da SOFCs traditionell bei extrem hohen Temperaturen von etwa 700 bis 800 Grad Celsius arbeiten müssen. Die hohen Betriebstemperaturen erfordern spezielle und teure Materialien, was die breite Anwendung der Technologie bisher einschränkte.
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Eine Senkung der Betriebstemperatur auf 300 Grad Celsius könnte die Materialkosten reduzieren und den Weg für Systeme auf Verbraucherebene ebnen. Das Herzstück einer SOFC ist der Elektrolyt. Dabei handelt es sich um eine Keramikschicht, die geladene Teilchen transportiert, um Energie zu erzeugen. Bei hochleistungsfähigen protonenleitenden Oxid-Elektrolyten besteht jedoch das Problem des sogenannten Protonen-Trappings.
Neue Brennstoffzelle ermöglicht nachhaltigere Wasserstoffenergie
Dabei stabilisieren sich Protonen im Oxid, was ungünstige chemische Reaktionen zur Folge hat. Normalerweise fügen Forscher sogenannte Dotierstoffe hinzu, um die Anzahl der mobilen Protonen zu erhöhen. Doch dies verstopft normalerweise das Kristallgitter und verlangsamt die Protonenbewegung.
Dieses als Trade-off bekannte Problem zwischen Ionenkonzentration und Leitfähigkeit konnte bisher nur schwer überwunden werden. Doch die Forscher fanden heraus, dass die kubischen Perowskit-Oxide Bariumstannat und Bariumtitanat, wenn sie stark mit Scandium dotiert werden, diese Einschränkungen überwinden können.
Die Verbindungen erreichten bei 300 Grad Celsius eine besonders hohe Protonenleitfähigkeit, was dem technologischen Schwellenwert für Brennstoffzellenelektrolyte entspricht. Simulationsmodelle zeigten, dass die Scandium-Atome mit den umgebenden Sauerstoffatomen eine Art Autobahn bilden.
Kommt bald die nächste Generation von Brennstoffzellen?
Entlang dieser Autobahn finden Protonen schnelle Diffusionswege. Das mindert den Einfluss des Protonen-Trappings auf die Diffusion, auch wenn Protonen stark an die Dotieratome gebunden sind. Das Gitter der untersuchten Materialien ist zudem intrinsisch weicher als das herkömmlicher SOFC-Materialien.
Dies ermöglicht es, deutlich mehr Scandium aufzunehmen als bisher angenommen. Diese Gitterweichheit (niedriger Bulk-Modul) dient als Designkriterium, um eine hohe Scandium-Löslichkeit zu ermöglichen.
Die Ergebnisse widerlegen den jahrzehntelang angenommenen Kompromiss zwischen Dotiergrad und Ionentransport. Die Technologie ist nicht nur für Brennstoffzellen anwendbar, sondern auch für Niedertemperatur-Elektrolyseure, Wasserstoffpumpen und Reaktoren, die CO2 in wertvolle Chemikalien umwandeln können. Das könnte solche Ansätze schneller voranbringen und rentabler machen.
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