Japan und der US-Bundesstaat Kalifornien haben Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie bereits als erneuerbare Energiequelle in den Bereichen Fahrzeuge und saubere Energieversorgung für die Fertigungsindustrie eingesetzt. Die Technologie ist jedoch aufgrund ihrer Abhängigkeit von Edelmetallen wie Platin kostspielig. Ingenieure der Washington University in St. Louis arbeiten daran, diese Herausforderung zu bewältigen, indem sie einen stabilen eisenbasierten Katalysator entwickeln, um das teure Platin zu ersetzen und so die Kosten für Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeuge zu senken.
Der Leiter der Forschung, Professor Gang Wu von der McKelvey School of Engineering für Energie-, Umwelt- und Chemieingenieurwesen, erklärte: „Wasserstoff-Brennstoffzellen wurden in Japan und Kalifornien bereits erfolgreich kommerzialisiert. Aber diese Fahrzeuge sind im Wettbewerb mit Batteriefahrzeugen und Verbrennungsmotoren im Nachteil, wobei die Kosten das Hauptproblem sind.“
Schätzungen zufolge könnte sich die Kosten eines herkömmlichen Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor im Wert von 30.000 US-Dollar auf 70.000 US-Dollar erhöhen, wenn ein Brennstoffzellensystem eingebaut wird. Der Platin-Katalysator ist dabei die teuerste Komponente und macht etwa 45 % der Gesamtkosten des Brennstoffzellenstapels aus. Da die Kosten für Platin nicht durch Skaleneffekte gesenkt werden können und die steigende Nachfrage nach Brennstoffzellen den Platinpreis weiter in die Höhe treibt, wird der Bedarf an Kostensenkungen noch dringlicher.
In einer in „Nature Catalysis“ veröffentlichten Studie schlägt das Team um Gang Wu eine Methode zur Stabilisierung von Eisenkatalysatoren durch Gasphasenabscheidung vor. Wasserstoff-Brennstoffzellen erzeugen durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom, Wasser und Wärme, wobei Katalysatoren benötigt werden. Die derzeit üblichen Platin-Katalysatoren sind teuer und behindern die Verbreitung dieser Technologie.
Das Forschungsteam verwendete ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren, um den Eisenkatalysator während des thermischen Aktivierungsprozesses einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle zu stabilisieren. Diese Methode verbesserte die Stabilität des Eisenkatalysators erheblich, während die katalytische Aktivität erhalten blieb, was seine Haltbarkeit, Energiedichte und Lebensdauer verbesserte.
Das Team wählte die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle als Forschungsschwerpunkt, da sie für schwere Fahrzeuge wie Lastkraftwagen, Busse und Baumaschinen geeignet ist. Diese Fahrzeuge werden typischerweise an festen Standorten betankt, was den zentralisierten Aufbau und Betrieb der Wasserstoffinfrastruktur begünstigt.
„Nach Jahrzehnten mit Stabilitätsproblemen können wir dieses Schlüsselproblem nun endlich lösen“, sagte Gang Wu. Der nächste Schritt sei die weitere Verfeinerung des Prozesses, um die Leistung des Eisenkatalysators über die von Edelmetallen hinaus zu steigern und damit neue Wege für die künftige Entwicklung von Brennstoffzellen aufzuzeigen.
Diese Forschung bietet einen gangbaren Weg zur Senkung der Kosten von Wasserstoff-Brennstoffzellen. Wenn eisenbasierte Katalysatoren in großem Maßstab eingesetzt werden können, könnte dies die breitere Einführung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie im Verkehrs- und Energiesektor vorantreiben.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Zeng, Y., Qi, M., Liang, J. et al., Titel: „Constructing highly durable Fe–N–C oxygen reduction fuel cell catalysts via regulating in situ gaseous deposition“, veröffentlicht in: „Nature Catalysis“ (2026). Zeitschrifteninfo: Nature Catalysis
