Als auto's water in plaats van uitlaatgassen produceren

Waterstof-brandstofcellen worden beschouwd als een hoopvolle kandidaat in de discussie over de voertuigtechnologie van de toekomst. Hun grootste voordeel: water en warmte zijn de enige 'afvalproducten' die ze uitstoten. Een van de momenteel grootste nadelen: de kosten, die onder andere afhangen van het zeer dure materiaal platina dat nodig is voor de katalysator in de brandstofcel. Als men het platina-gehalte in de brandstofcel verlaagt, daalt ook de elektrische output nog sneller. Prof. Dr. Peter Strasser van de TU Berlin en zijn medewerkers van de vakgroep Elektrochemie en Materialen zijn in samenwerking met wetenschappers van BMW erin geslaagd om in een autovriendelijke waterstof-brandstofcel het katalysatormateriaal chemisch zo te ontwerpen dat ondanks een gering platina-gebruik toch hoge elektrische prestaties worden geleverd. Hun resultaten zijn nu gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Nature Materials.

Bij brandstofcelvoertuigen gaat het uiteindelijk ook om elektrische auto's. Het verschil: de benodigde stroom wordt niet opgeslagen in een batterij, maar aan boord tijdens het rijden naar behoefte gegenereerd. Aan twee aparte elektroden van de brandstofcel reageert waterstof, dat in een speciale tank in de auto wordt meegevoerd, met de zuurstof uit de omgevingslucht. Daarbij ontstaan stroom en water. De opgewekte stroom wordt verbruikt of in een kleine bufferbatterij opgeslagen. Voor de elektrochemische reactie aan de kathode van de brandstofcel is een platina-katalysator nodig. "Zelfs als de momenteel op de markt beschikbare brandstofauto's slechts 30 gram platina per brandstofcel gebruiken, is dat nog altijd ver verwijderd van het langetermijndoel en de duurzame doelstelling van vijf gram platina per brandstofauto," aldus Peter Strasser.

Het probleem: de platina-nanodeeltjes moeten in een uiterst gelijkmatige verdeling worden aangebracht met een zogenaamde ionomeer, een kunststof die waterstof-ionen (protonen) geleidt, op de koolstofdrager. Hoe minder platina-nanodeeltjes worden gebruikt, des te belangrijker is de gelijkmatige verdeling van de ionomeer, zodat alle betrokken reagentia toegang hebben tot de platina-deeltjes die als katalysator fungeren. Een ongelijke verdeling van de ionomeer leidt tot een hoge weerstand tegen het transport van zuurstofmoleculen, wat weer leidt tot een hoog verlies in de gegenereerde elektrische spanning en vermogen. "In het nu gepubliceerde werk beschrijven we de productie van een nieuw, chemisch gewijzigd koolstofdrager-materiaal met op maat gemaakte oppervlakkenigenschappen. Hierdoor is het ons gelukt om een ongeëvenaard gelijkmatige verdeling van de ionomeer op dit drager-materiaal te realiseren. Zo behalen we hoge vermogensdichtheden bij een gering platina-gebruik," aldus de wetenschapper. Deze op maat gemaakte katalysator behaalde een tot nu toe ongeëvenaarde prestatie en stabiliteit bij de stroomproductie in de brandstofcel – met minimaal 50 procent minder platina-verbruik.

"Het bijzondere aan onze aanpak: we hebben direct gewerkt met een autovriendelijke brandstofcel, zodat onze resultaten de kans hebben om direct door te sijpelen in de volgende generaties van de brandstofauto," verheugt Peter Strasser zich over het succes.

Voor meer informatie graag contact opnemen met:

Prof. Dr. Peter Strasser
TU Berlin
Vakgroep Technische Chemie
De groep voor elektrochemische energie, katalyse en materiaalkunde
Tel.: 030/314-22261
E-mail: peter.strasser@tu-berlin.de