(pte) – Festoxid-Brennstoffzellen, die so heißen, weil der Elektrolyt aus Keramik ist, haben eine Betriebstemperatur von 800 Grad Celsius. Diese wollen Forscher an der Technischen Universität Wien senken, um den Stromerzeuger langlebiger zu machen und die Produktionskosten zu senken. Der Sauerstoff wird an der Kathode eingefangen. In Form von Ionen wandert er durch den Elektrolyten zur Anode, wo er sich mit Wasserstoff zu Wasser vereinigt. Dabei werden Wärme und elektrische Energie frei.

Neue Elektrodenmaterialien

Für den Betrieb der Festoxid-Brennstoffzelle bei niedrigeren Temperaturen stellt vor allem der Sauerstoffeinbau an der Kathode einen Flaschenhals dar, denn die chemische Reaktion läuft nun langsamer ab. Daher sind Forscher weltweit auf der Suche nach Wegen, um neue Elektrodenmaterialien zu entwickeln, die auch bei niedrigeren Temperaturen Sauerstoff ausreichend schnell einbauen können.

Wissenschaftler des Forschungsbereichs „Technische Elektrochemie“ arbeiten bereits seit Jahren an gemischtleitenden Materialien. Oxide dieser Materialklasse sind besonders gut für Brennstoffzellenkathoden geeignet, da sie bei höheren Temperaturen sowohl Sauerstoffionen als auch Elektronen leiten können. Dies funktioniert vor allem über Defekte, also über minimale Abweichungen vom idealen Kristallgitter, die absichtlich in das Material eingebracht werden.

„Um diese Materialien zielgerichtet optimieren zu können, ist ein besseres Verständnis der Rolle dieser Defekte für die Sauerstoffeinbaureaktion von höchster Bedeutung. In-situ-Charakterisierung oxidischer Dünnfilme beim Wachstum“, sagt Projektleiter Markus Kubicek. Dazu war wahre Detektivarbeit nötig. Jetzt stellte sich der Erfolg ein.

Kleinste Verunreinigungen stören

In einer Vakuumkammer haben die Forscher Kathodenmaterial mithilfe eines Lasers hergestellt und untersuchten sie gleich danach mit einer Methode namens Impedanzspektroskopie. Dabei wird der Wechselstromwiderstand, der auch Impedanz genannt wird, in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstroms bestimmt. Daraus lässt sich die Struktur des Materials bestimmen.

„Da bereits kleinste Verunreinigungen zu einer starken Verfälschung der Messergebnisse führen, brauchten wir eine Messmethode, mit der wir tatsächlich saubere Elektrodenoberflächen untersuchen können. Das ist uns hier erstmals gelungen“, erklärt Christoph Riedl aus der Forschungsgruppe für Festkörperionik. „Nur durch unsere hier entwickelte in-situ-Methode konnten wir theoretische Simulation und reale Messergebnisse perfekt miteinander vereinen“, ergänzt er. Auf diese Weise fanden die Forscher fünf vielversprechende Materialien, die jetzt in realen Brennstoffzellen getestet werden sollen.