Der technische Chemiker Alexander Schenk reduziert die teuren Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen, die als grüne Alternative in der Strom- und Wärmeversorgung gelten.
Brennstoffzellen können die chemisch gebundene Energie von Brennstoffen, etwa von Wasserstoff, direkt in Strom und Wärme umwandeln. Bei der Verbrennung reagiert Wasserstoff mit Sauerstoff und wird zu reinem Wasser. Diese Umwandlung setzt nutzbare elektrische Energie frei. Brennstoffzellen werden im Antrieb von Kraftfahrzeugen, in der Energieversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern oder in tragbarer Outdoor-Hardware eingesetzt. Sie gelten umweltpolitisch derzeit als beste Lösung, emissionsfreie Energie zu erzeugen.
So weit, so gut. Jedoch sind Brennstoffzellen noch teuer, denn als Katalysator werden kostspielige Edelmetalle, zumeist Platin, eingesetzt. Diese beschleunigen die elektrochemische Reaktion und definieren damit die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle. Die Kostensenkung bei gleichbleibender Effizienz war das Kernthema der im vergangenen Jahr mit dem Förderpreis des Forums Technik und Gesellschaft ausgezeichneten Dissertation von Alexander Schenk, technischer Chemiker vom Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik der TU Graz. Das Forum, eine Plattform für Partnerschaften der Universität mit Unternehmen, würdigte Schenks Arbeit mit dem ersten Preis in der Kategorie Dissertationen mit besonderer gesellschaftlicher Relevanz.
Platin-Kobalt-Mischung als Katalysator
Ziel war es, den Platinanteil der Katalysatoren zu senken. Das funktioniert, indem man das Platin mit anderen Metallen, etwa Kupfer, Nickel oder Kobalt, legiert. Schenk setzte den Fokus gemeinsam mit seiner Münchener Partnerfirma Elcore darauf, den Kobaltanteil zu erhöhen. „Dies ändert gezielt das Kristallgitter dieser Katalysatoren“, sagt der im weststeirischen Köflach wohnende Schenk. So konnte er am Ende des Projektes 20 Prozent des Platins einsparen. Theoretisch sei jedoch mehr möglich. Noch scheitert das an der Umsetzung.
Kobalt selbst ist inaktiv. Es zeigt keinerlei katalytische Aktivität. Jedoch ändert sich durch dessen Zusetzung die elektronische Eigenschaft des Platins. Dieses wird in seiner Aktivität und in seiner Stabilität gesteigert. Die Brennstoffzelle leistet mehr, verlängert seine Lebensdauer, sodass die Systeme im besten Fall fünf bis zehn Jahre ohne Verluste laufen können, und zugleich werden mit dem billigeren Kobalt die Kosten gesenkt. Schenk sagt dazu schlicht: „Platin wird in seiner Funktion verbessert.“
Der Forschungspartner Elcore verwendet die weiterentwickelten Brennstoffzellen bereits. Die Firma baut Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) in Ein- und Zweifamilienhäuser. Ihre auf Brennstoffzellen basierenden Systeme wandeln Erdgas in Strom und Wärme um und können die Energiekosten bis zu 50 Prozent verringern. Zudem fördern Staat und Land den Einbau.
Schenk forscht weiter an den emissionsfreien Energiewandlern. Ein kürzlich von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft, FFG, genehmigtes Projekt soll die Platinbeladung noch weiter senken, sowie andere, alternative Legierungen testen. Der Forscher wird auch künftig im Labor Metallkatalysatoren synthetisieren sowie neue Möglichkeiten für Legierungen suchen. Wenn die „neuen“ Katalysatoren im Labor funktionieren, werden die Forscher diese im nächsten Schritt in Brennstoffzellen übertragen: „Das heißt, wir fertigen nach Elektroden- und Membranelektrodeneinheiten – also der aus Anode, Katode und Elektrolytmembran bestehenden Kernkomponenten der Brennstoffzelle – Einzelzellen an“, sagt Schenk. Funktionieren diese im Einzelfall, kann auch das gesamte Brennstoffzellensystem funktionieren. Dass es hier zu vielen Leer- und Lehrminuten im Labor kommen wird, ist Schenk bewusst.
Wirksames Änderungspotenzial
Nicht alle Chemiker spezialisieren sich auf umweltfreundliche Energietechnologien. In der Brennstoffzellenforschung geht es konkret um die Schadstoff- und Treibhausgasreduzierung. Ein Ziel, das umweltpolitisch kürzlich in den Verträgen von Paris festgeschrieben wurde. „Ich kann mit meiner Forschung aktiv einen Beitrag für dieses Ziel leisten“, sagt Schenk. Schon während des Studiums spezialisierte er sich auf erneuerbare Energien. Für den Forscher und Hobby-Ausdauersportler war es ein Grundbedürfnis, sich mit der begrenzten Verfügbarkeit von fossilen Rohstoffen und deren negativen Folgen zu beschäftigen. Die Entwicklung von Brennstoffzellensystemen biete eine potenziell global wirksame Änderungsmöglichkeit. Zudem lässt sich diese mit für Schenk spannenden chemischen Themen wie Kristallstrukturen und Katalyse verbinden.
ZUR PERSON
Alexander Schenk wurde wurde 1985 in Graz geboren. Er studierte Technische Chemie an der TU Graz, an der er am Institut für Chemische Verfahrenstechnik und Umwelttechnik an Brennstoffzellen forscht. Seine Doktorarbeit wurde neben dem Förderpreis des Forums Technik und Gesellschaft 2015 auch vom Bundesministerium für Wissenschaft, Forschung und Wirtschaft mit dem Award of Excellence ausgezeichnet.
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(Print-Ausgabe, 02.04.2016)