Elektroden sind elektrisch leitfähige Komponenten in Brennstoffzellen, welche eine Elektroden-Katalysatorschicht mit der Dreiphasengrenze aufweisen und eine Redoxreaktion ermöglichen. Dafür laufen an der Anoden- sowie Kathodenseite der Brennstoffzelle Teilreaktionen der Wasserstoffoxidation und Sauerstoffreduktion ab. Notwendig für den Ablauf der Prozesse sind die jeweiligen Katalysatorschichten, welche auf den Elektroden der Anode und Kathode aufgebracht sind und meist aus oder Platinlegierungen bestehen. An einer sogenannten Dreiphasengrenze treffen die Reaktionsmedien auf die Kontaktpunkte von Katalysator, elektronenleitfähigen Trägermaterial und Elektrolyten wodurch es zu den beschriebenen Teilreaktionen kommt. Die Zulegierung von geringen Anteilen Ruthenium wirkt sich positiv auf die CO-Toleranz aus. Die Elektrode besteht meist aus Kohleträgern wie zum Beispiel grafitierten Ruß. Die Aufbringung kann beidseitig auf die Polymermembran erfolgen, dann spricht man von einer 3-Lagen Membran-Elektroden-Einheit.
Herausforderungen
Brennstoffzellen müssen für einen wirtschaftlichen Einsatz sowohl eine hohe Lebensdauer als auch einen hohen Wirkungsgrad bei gleichzeitig niedrigen Kosten aufweisen. Die Elektrode mit der Katalysatorschicht hat einen hohen Einfluss auf alle drei erwähnten Punkte. Zu einem besteht eine Herausforderung darin den Materialeinsatz des Katalysators (z.B. Platin) zu minimieren, da die Rohstoffkosten sehr hoch sind. Ein Lösungsansatz bietet die Optimierung von Beschichtungsverfahren zur feineren Verteilung und Positionierung von Platinteilchen auf der Elektrode. Die Verbesserung der Legierungszusammensetzung des Katalysators kann eine Möglichkeit bieten, die Brennstoffzelle robuster gegen Schadgase auszulegen und somit höhere Lebensdauern zu gewährleisten.
Literatur
[1] P. Kurzweil, Brennstoffzellentechnik: Grundlagen, Materialien, Anwendungen, Gaserzeugung, 3. Aufl. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2016. [Online].
[2] Grandi, M.; Rohde, S.; Liu, D. J.; Gollas, B.; Hacker, V. (2023): Recent advancements in high performance polymer electrolyte fuel cell electrode fabrication – Novel materials and manufacturing processes. In: Journal of Power Sources 562, S. 232734. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2023.232734.
[3] Madheswaran, Dinesh Kumar; Thangamuthu, Mohanraj; Gnanasekaran, Sakthivel; Gopi, Suresh; Ayyasamy, Tamilvanan; Pardeshi, Sujit S. (2023): Powering the Future: Progress and Hurdles in Developing Proton Exchange Membrane Fuel Cell Components to Achieve Department of Energy Goals—A Systematic Review. In: Sustainability 15 (22), S. 15923. DOI: 10.3390/su152215923.
