Übersichtsartikel

Brennstoffzellen können als kompakte und transportable Stromquellen in Elektroautos, aber beispielsweise auch in elektronischen Geräten oder Wohnhäusern eingesetzt werden. Brennstoffzellen erzeugen am Ort ihrer Nutzung keine schädlichen Abgase und können dazu beitragen, etwa die Luft in Städten sauber zu halten. Erzeugt man auch den Wasserstoff aus nicht fossilen Primärenergien – etwa aus Sonnenenergie – liefert die Brennstoffzelle CO₂-arme, saubere Energie.

Das PSI engagiert sich seit vielen Jahren auf allen Stufen der Brennstoffzellenforschung: von der Optimierung einzelner Komponenten bis zur Entwicklung vollständiger Brennstoffzellensysteme. Eine Besonderheit der Forschung am PSI ist die intensive Nutzung von Untersuchungsverfahren an den Grossgeräten des PSI, welche einzigartige Einblicke in das Innere der Brennstoffzellen und der genutzten Materialien ermöglichen. Dadurch können die Forschenden ein grundsätzliches Verständnis der Vorgänge in der Zelle gewinnen und sie sehr gezielt verbessern.

Brennstoffzellen könnten einen wichtigen Beitrag für das Energiesystem der Zukunft leisten. Dieses soll bis 2050 schrittweise umgebaut werden. Ein wichtiger Punkt des in der Energiestrategie 2050 formulierten Massnahmenpakets des Bundes ist dabei der Ausbau von Fotovoltaik- und Windkraftanlagen. Diese produzieren jedoch je nach Wetterlage, Tages- und Jahreszeit unterschiedlich viel Strom. Daher müssen Wege gefunden werden, diesen flexibel in das Energiesystem zu integrieren.

Am PSI loten die Forschenden das diesbezügliche Potenzial von Brennstoffzellen aus. Denn erzeugen Fotovoltaik- oder Windkraftanlagen zu viel Strom, kann dessen Energie zwischenzeitlich in Wasserstoff gespeichert und dann über Brennstoffzellen bei Bedarf wieder in Strom zurückgewandelt werden.

Um das Potenzial der Brennstoffzellen für die Integration von überschüssigem Strom zu ermitteln, untersuchen die Forschenden wie sich Brennstoffzellen in einer auf dieses Szenario ausgerichteten industriellen Betriebsumgebung verhalten. Dafür steht ihnen am PSI seit 2016 eine Versuchsplattform zur Verfügung, die ESI-Plattform (ESI steht für Energy System Integration). Diese ermöglicht es den Forschenden, eine industrielle Umgebung im kleinen Massstab zu simulieren.

In einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle, wie sie am PSI erforscht wird, sind Sauerstoff und Wasserstoff durch eine dünne Folie – die namensgebende Polymermembran – getrennt. Diese Membran lässt vom Wasserstoff nur die Atomkerne, also die Protonen, passieren. Die Elektronen müssen den Umweg über eine elektrische Leitung nehmen. Dort wirken sie als elektrischer Strom, der zum Beispiel für den Autoantrieb genutzt werden kann. Eine solche Brennstoffzelle besteht aus mehreren Schichten, von denen die Membran die mittlere ist. Auf beiden Seiten schliesst sich je eine dünne Schicht von Katalysatormaterial an, die die elektrochemischen Reaktionen überhaupt erst möglich machen, und dahinter folgt je eine Gasdiffusionsschicht. Diese bestehen aus einem Vlies aus Kohlefasern und müssen mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen: Sie müssen die Reaktionsgase zum Katalysatormaterial transportieren, auf der Sauerstoffseite das entstehende Wasser abführen und den entstehenden Strom sowie die Wärme ableiten.

Obwohl Brennstoffzellen heutzutage in Serie gebaut werden und die einzelnen Bestandteile kommerziell erhältlich sind, sind die Vorgänge in den Zellen vielfach noch nicht im Detail verstanden. So ist ein Ziel der Forschung am PSI zu bestimmen, welchen Einfluss die Eigenschaften der unterschiedlichen verwendeten Materialien auf die Vorgänge in der Brennstoffzelle haben und insbesondere, welche Prozesse die Effizienz der Zellen hemmen. Solche Untersuchungen ermöglichen es, Materialien für den Einsatz in Brennstoffzellen zu optimieren und so die Leistungsfähigkeit der zukünftigen Generationen von Brennstoffzellen zu steigern.

Ein Vorgang, der am PSI intensiv untersucht wird, ist das Verhalten von Wasser in einer Brennstoffzelle. Dabei muss man bedenken, dass Wasser hier mehrere Rollen spielt: Es entsteht bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff und muss danach effizient abgeführt werden, weil es sonst die Poren der Gasdiffusionsschicht verstopft und die Reaktionsgase daran hindert, zum Katalysator zu gelangen. Gleichzeitig darf die Membran aber nicht austrocknen, weil sie dann die Protonen schlechter leitet – es muss also stets eine optimale Wassermenge vorhanden sein. Die Untersuchungsverfahren, die am PSI verfügbar sind, machen es nun möglich, die Wasserflüsse in einer Brennstoffzelle unmittelbar zu beobachten. Die Tomografie mit Synchrotronstrahlung zeigt etwa im Detail, wie sich Wasser zwischen den Fasern der Gasdiffusionsschicht verhält – auf welchen Wegen es durch die Schicht fliesst oder ob es in den Poren Tropfen bildet. Mit Hilfe der Neutronenradiografie kann man hingegen die Wasserflüsse in einer gesamten funktionsfähigen Zelle sichtbar machen – und das obwohl sich das Wasser hinter einem dicken Metallgehäuse befindet.

Die Forschungsarbeiten zum Thema Brennstoffzellen am PSI sind sehr vielfältig – einige Beispiele sind die Optimierung von katalytischen Schichten, die Entwicklung neuartiger Verfahren zur Herstellung stabilerer und kostengünstigerer Katalysatoren und Membranen, die Untersuchung der Gasflüsse durch die Diffusionsschicht. Das sind wichtige Ziele der Forschung, welche die Lebensdauer und die Effizienz von Brennstoffzellen verbessern sowie die Kosten reduzieren.
Das Spektrum des PSI-Engagements reicht bis zur Entwicklung von Brennstoffzellensystemen für konkrete Anwendungen wie sie beispielsweise auf der ESI-Plattform für die Speicherung von überschüssigem Strom getestet werden. Dabei arbeiten die Forschenden intensiv mit Partnern aus der Industrie zusammen.