Paul Scherrer Institut

Wasserkanäle machen Brennstoffzellen effizienter

| Autor / Redakteur: Leonid Leiva, Paul Scherrer Institut / Stefan Liebing

Dieses sogenannte Kohlenstoffpapier wurde entlang bestimmter Kanäle (helle Linien) wasseranziehend gemacht. Dadurch liegt das Wasser nicht mehr den Gasen im Weg und diese fliessen schneller durch.
Dieses sogenannte Kohlenstoffpapier wurde entlang bestimmter Kanäle (helle Linien) wasseranziehend gemacht. Dadurch liegt das Wasser nicht mehr den Gasen im Weg und diese fliessen schneller durch. (Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben im Labor ein Beschichtungsverfahren entwickelt, das die Effizienz von Brennstoffzellen erhöhen könnte. Das für die Massenproduktion geeignete Verfahren haben die PSI-Wissenschaftler bereits zum Patent angemeldet.

Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben im Labor ein Beschichtungsverfahren entwickelt, das die Effizienz von Brennstoffzellen erhöhen könnte. Brennstoffzellen erzeugen aus den Gasen Wasserstoff und Sauerstoff elektrischen Strom. Die Gase werden von aussen an die Elektrode der Zelle zugeführt. Ihnen kommt auf ihrem Weg aber flüssiges Wasser in die Quere, das in der Brennstoffzelle dauernd produziert wird und nach aussen fliessen soll. Bei zu viel angesammeltem Wasser fliessen die Gase langsamer und die Stromproduktion gerät ins Stocken. „Unsere neuartige Beschichtung sorgt dafür, dass flüssiges Wasser und Gase auf getrennten Wegen durch die porösen Materialien in den Brennstoffzellen fliessen. Das verbessert die Leistung und die Stabilität im Betrieb der Brennstoffzellen“, sagt der Leiter der Studie Pierre Boillat vom Labor für Elektrochemie am PSI.

Brennstoffzellen wandeln die in den Gasen enthaltene Energie effizient in Elektrizität um. Der produzierte Strom kann zum Beispiel ein Elektroauto antreiben.

Als einziges chemisches Produkt der in Brennstoffzellen ablaufenden Reaktionen entsteht Wasser. Im „Abgas“ eines Brennstoffzellenautos ist also nur harmloser Wasserdampf enthalten.

Seit 2013 sind serienreife Brennstoffzellenautos erhältlich. Weltweit arbeiten Forschende aber weiterhin daran, die Effizienz von Brennstoffzellensystemen zu erhöhen bzw. deren Kosten zu senken.

Wasser hemmt die Stromproduktion

Ein wichtiges Thema dabei ist das Abführen flüssigen Wassers aus Teilen der Brennstoffzellen, in denen es unerwünscht ist, weil es den Durchfluss der Gase stört. Wasser sammelt sich beispielsweise in den Poren der sogenannten Gasdiffusionsschicht, einer in der Regel aus Kohlefasern bestehenden Schicht, die unter anderem die Zufuhr und Feinverteilung der Gase Wasserstoff und Sauerstoff an die Elektroden der Zelle sicherstellt. Das in der Gasdiffusionsschicht angesammelte Wasser behindert den Durchfluss der Gase und hemmt dadurch die Stromproduktion.

In kommerziell erhältlichen Brennstoffzellen sind die Kohlefasern der Gasdiffusionssicht in der Regel gleichmässig mit einem wasserabweisenden Kunststoff beschichtet, der den Abfluss des Wassers erleichtern soll. Das Wasser verteilt sich hier willkürlich im Material, und die für den Gasfluss frei bleibenden Poren bilden gewundene Pfade. Die Gase gelangen deshalb nur langsam an die Elektroden, was die Leistung der Brennstoffzellen reduziert.

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