Elektro-Autos: Neue Technologie steigert die Effizienz von Brennstoffzellen

Ein neues Beschichtungsverfahren sorgt dafür, dass Brennstoffzellen Gase schneller in elektrischen Strom umwandeln können. Das senkt die Kosten für Brennstoffzellen, die zum Beispiel Elektroautos antreiben. Ein Vorteil dieser Autos ist, dass sie statt Abgas Wasserdampf produzieren.

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Forscher des Paul Scherrer Instituts haben eine Beschichtung entwickelt, die Brennstoffzellen effektiver macht. Das Neue an der Beschichtung ist, dass sie an einigen Stellen wasseranziehend ist. Das Wasser fließt dann ausschließlich über diese Stellen. Dadurch wird der Durchfluss der Gase nicht mehr wie bisher vom Wasser gestört.

Das neue Verfahren verbessert die Leistung und die Stabilität der Brennstoffzellen. Der Strom, der in diesen Zellen produziert wird, kann zum Beispiel Elektroautos antreiben. Der Vorteil der Autos, die mit Brennstoffzellen angetrieben werden, ist, dass sie statt Abgas nur Wasserdampf produzieren. Wasserdampf ist nämlich das einzige chemische Produkt, das bei der ablaufenden Reaktion entsteht. Seit 2013 sind serienreife Brennstoffzell-Autos erhältlich. Weltweit sind Forscher damit beschäftigt, die Effizienz der Zellen zu erhöhen und damit auch die Kosten für diese zu senken. Das neue Verfahren ist den Forschern zufolge für eine Massenproduktion tauglich.

Brennstoffzellen erzeugen aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom. Dabei produzieren sie Wasser, das aus der Zelle fließt. Ein Problem war es bisher, das Wasser aus den Teilen der Zelle abzuführen, in denen es unerwünscht ist. Das sind die Poren der Gasdiffusionsschicht, die für die Zufuhr und Verteilung der Gase an die Elektroden der Zelle sorgt. Sammelt sich dort Wasser, behindert es den Durchfluss der Gase und sie Stromproduktion gerät ins Stocken.

Bisher hat man die Gasdiffusionsschicht deswegen gleichmäßig mit einem wasserabweisenden Kunststoff beschichtet. Das Problem der gleichmäßigen Beschichtung war allerdings, dass sich das Wasser willkürlich verteilt hat. Die Poren, die für das Passieren der Gase frei blieben, bildeten also keinen direkten, sondern einen indirekten Weg. Deswegen gelangten die Gase nur langsam zu den Elektroden, was die Leistung der Zelle minimiert.

Die neue Beschichtung sorgt dafür, dass das Wasser festgelegte direkte Wege zum Abfließen wählt. Dadurch entsteht auch ein direkter Zugang für die Gase zu den Elektroden. Das erreichen die Forscher, indem sie die wasserabweisende Beschichtung anhand gerader Wege wasseranziehend machen. Dadurch entstehen Wasserkanäle, durch die das Wasser abfließt. Alle anderen Bereiche der Schicht bleiben trocken und ermöglichen das ungehinderte Einfließen der Gase.

Um die Wasserkanäle herzustellen, mussten die Forscher wasseranziehende Moleküle in die Struktur des ursprünglichen Kunststoffes einsetzen. Mit einem Elektronenstrahl wurde die Beschichtung so aufbereitet, dass sie wasseranziehende Moleküle binden kann. Der Elektronenstrahl wird dabei durch ein Metallgitter geführt, sodass zwei unterschiedliche Bereiche entstehen. Dort, wo der Strahl durch das Gitter geht, kann die ursprüngliche Beschichtung verändert werden, so dass sie wasseranziehend wird. Dort, wo der Strahl das Gitter nicht passiert, bleibt die Beschichtung mit ihrer wasserabweisenden Eigenschaft.

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