Chinesische Wissenschaftler entwickeln neue Wasserstoff-Brennstoffzelle mit vierfacher Leistung

Ein Team chinesischer Wissenschaftler hat eine neue Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle entwickelt, deren Ausgangsleistung das Vierfache herkömmlicher Designs erreicht. Dieser Fortschritt könnte die Praxistauglichkeit von Wasserstoffenergiesystemen in Automobil- und Luftfahrtanwendungen erheblich steigern. Die Technologie löst eine große Herausforderung von Wasserstoff-Brennstoffzellen, nämlich die Geschwindigkeit, mit der Protonen die für die Stromerzeugung verantwortliche Katalysatorschicht durchqueren. Forscher der Beijing Institute of Technology haben eine neue Materialoberfläche entwickelt, um einen effizienteren Protonentransport innerhalb der Zelle zu ermöglichen. Li Jie, Assistenzprofessor an der Beijing Institute of Technology, erklärte, dass diese neue Technologie es ermöglicht, "den Leistungsstapel von Brennstoffzellenfahrzeugen kleiner und leichter zu gestalten, und das Fahrzeug kann eine stärkere Dauerleistung und eine größere Reichweite erzielen." PEM-Brennstoffzellen arbeiten in der Regel in einem Temperaturbereich von 60 bis 80 Grad Celsius und wandeln etwa 50 % bis 60 % der in Wasserstoff gespeicherten Energie in elektrische Energie um. In der Zelle geben Wasserstoffmoleküle an der Anode Elektronen und Protonen ab. Die Protonen durchqueren die Elektrolytmembran, während die Elektronen durch einen externen Stromkreis fließen und elektrische Energie erzeugen. An der Kathode verbinden sich Protonen und Elektronen mit Sauerstoff zu Wasser. Die Katalysatorschicht stellte lange Zeit eine Herausforderung dar. Materialien wie Nafion können die Katalysatoren auf Nanometerebene dicht umgeben und den schnellen Transport der Protonen zu den Reaktionsstellen behindern.

Neue Materialoberfläche verbessert Protonentransport

Die Forscher der Beijing Institute of Technology haben eine Brønsted-Säure-Lewis-Base-Grenzfläche entwickelt, die zusätzliche Protonentransferstellen bietet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Protonendiffusion um das Zehnfache gesteigert und die Protonenleitfähigkeit um das 6,5-fache erhöht wurde. Die Aktivierungsenergie wurde um mehr als die Hälfte reduziert.

Vierfache Leistung Bei Standardbetriebsbedingungen erreicht diese neue Brennstoffzelle bei 0,7 Volt eine Leistung von 0,75 Watt pro Quadratzentimeter, was etwa dem Vierfachen herkömmlicher Designs entspricht. Das System zeigt eine Leistung von 6,9 Kilowatt pro Gramm Platin, ein wichtiger Indikator, da Platin als Katalysator in Brennstoffzellen sehr teuer ist. Nach 30.000 beschleunigten Druckzyklen behielt das neue System 63 % seiner anfänglichen Spitzenleistung, während herkömmliche Systeme unter gleichen Bedingungen nur 30 % behielten. Die Forscher weisen darauf hin, dass dieses Verbundmaterial in einem tatsächlichen Maßstab produziert werden kann.

„Im Labor können sie derzeit etwa 100 Gramm in drei Tagen herstellen, was ausreicht, um 10 Stapel mit einer Leistung von 100 Kilowatt zu unterstützen“, sagt Li Jie.

Anwendung in der Luft- und Raumfahrt

Möglichkeiten jenseits des Straßenverkehrs Diese Technologie könnte in Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen Gewicht, Platzbeschränkungen und Leistungsdichte entscheidend sind. Die Forscher betonen, dass sie für luft- und raumfahrtbezogene Systeme, die flüssigen Sauerstoff nutzen, von großer Bedeutung ist, da der effiziente Protonentransport die Gesamtleistung der Brennstoffzelle erheblich beeinflussen kann. „Unsere Technologie löst das Problem, wie man in einem kleineren Stapelvolumen mit höherer Effizienz und höherer Leistungsdichte Strom erzeugt. Dies entspricht genau den Anforderungen der Luft- und Raumfahrt-Energiesysteme“, sagt Li Jie. Dieser Fortschritt fällt mit der Expansion der Wasserstoffenergieindustrie in China zusammen. Bis Ende 2025 wird die Wasserstoffproduktionskapazität Chinas mehr als 51 Millionen Tonnen pro Jahr betragen.

China hält auch 53 % der Projekte zur Erzeugung von erneuerbarem Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser.

Die Skalierung bleibt die nächste Herausforderung Bis Ende 2025 wird die Anzahl der Brennstoffzellenfahrzeuge in China etwa 32.000 betragen. Im März 2026 haben drei zentrale Regierungsbehörden das Ziel gesetzt, bis 2030 100.000 Brennstoffzellenfahrzeuge zu erreichen und den Preis für Wasserstoff auf RMB¥25 (etwa HK$28) pro Kilogramm zu senken. Diese neue Technologie muss noch beweisen, dass sie in industriellem Maßstab kosteneffizient produziert werden kann und gleichzeitig langfristige Sicherheit und Zuverlässigkeit gewährleistet. „Brennstoffzellenfahrzeuge müssen nicht die Batterie-Elektrofahrzeuge imitieren.

Batterie-Elektrofahrzeuge eignen sich für Kurzstreckenreisen, während Brennstoffzellen für schwere Lkw, Langstreckentransport und Situationen, die schnelles Betanken und eine lange Reichweite erfordern, geeignet sind“, sagt Li Jie. „Als nächstes wird das Team Hochleistungs-Brennstoffzellenstapel für verschiedene Szenarien bauen und testen. Wir werden auch die verwandten Materialien und Technologien erweitern und sie in tatsächliche Produkte umwandeln.“ Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im Wissenschaftsjournal „Science“ veröffentlicht.

Projekt	Spezifikation
Ausgangsleistung	0,75 Watt pro Quadratzentimeter
Leistung pro Gramm Platin	6,9 Kilowatt
Erhöhung der Protonendiffusion	Zehnfach
Erhöhung der Protonenleitfähigkeit	6,5-fach
Erhaltungsrate der anfänglichen Spitzenleistung	63%

Die potenzielle Auswirkung der neuen Wasserstoff-Brennstoffzelle

Der Durchbruch in der Technologie dieser neuen Wasserstoff-Brennstoffzelle zeigt das Potenzial zur Steigerung von Leistung und Effizienz, insbesondere in den Bereichen Automobil und Luftfahrt. Mit der rasanten Expansion der Wasserstoffenergieindustrie in China wird die erfolgreiche Anwendung dieser Technologie dazu beitragen, die Verbreitung von Wasserstofffahrzeugen zu fördern und könnte die Art und Weise, wie Energie im Schwerlasttransport verwendet wird, verändern. Die industrielle Produktion in großem Maßstab und die Aufrechterhaltung der Kosteneffizienz bleiben jedoch die entscheidenden Herausforderungen für die zukünftige Entwicklung.