Brennstoffzellen: Oxidationsprozesse von Phosphorsäure aufgeklärt
Die Illustration zeigt vier unterschiedliche Oxidationspfade (1-4) von wässriger Phosphorsäure (H3PO3), die mit XANES aufgeklärt werden konnten. Alle diese Reaktionen hängen von der vorhandenen Feuchtigkeit ab. © HZB
Die Wechselwirkungen zwischen Phosporsäure und dem Platin-Katalysator in Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen sind komplexer als bisher angenommen. Röntgen-Experimente an BESSY II in einem mittleren Energiebereich (tender x-rays) haben die vielfältigen Oxidationsprozesse an der Platin-Elektrolyt-Grenzfläche entschlüsselt. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle diese Prozesse beeinflusst, so dass sich hier Möglichkeiten bieten, um Lebensdauer und Wirkungsgrad von Brennstoffzellen zu erhöhen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Wasserstoff (H2) in elektrische Energie um. Als mikro-stationäre Stromquellen eignen sich vor allem die Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMFCs). Ein Nachteil dieser HT-PEMFCs ist jedoch, dass der Protonenleiter Phosphorsäure (H3PO4) aus der H3PO4-dotierten Polybenzimidazol-Membran auslaugt und den Platinkatalysator vergiftet. Neuere Studien zeigen weitere Komplikationen während des Betriebs der HT-PEMFC: Dabei wird ein Teil des H3PO4 zu H3PO3 reduziert, was zu einer weiteren Vergiftung der Platinkatalysatoren und damit zu einem erheblichen Leistungsverlust führen kann.
Komplexe Prozesse und Wechselwirkungen
Eine frühere Studie des Teams von Prof. Dr. Marcus Bär zeigte, dass an der Grenzfläche zwischen Platin und wässrigem H3PO3 auch gegenläufige Prozesse stattfinden und dass die Wechselwirkungen zwischen dem Platinkatalysator und H3PO3/ H3PO4 sehr komplex sind: Während H3PO3 zu einer Vergiftung des Platinkatalysators führen kann, kann Platin gleichzeitig die Oxidation von H3PO3 zurück zu H3PO4 katalysieren.
Realitätsnahe Versuchsbedingungen
Nun hat Bärs Team das Oxidationsverhalten von wässrigem H3PO3 unter Bedingungen untersucht, die den Betriebsbedingungen von HT-PEMFCs nahekommen. Die chemischen Prozesse wurden in einer beheizbaren elektrochemischen Zelle analysiert, die für In-situ-Röntgenuntersuchungen geeignet ist. Die Experimente fanden an der kürzlich im Energy Materials In-situ Laboratory Berlin (EMIL) eingerichteten OÆSE-Endstation statt, und zwar mit intensivem Röntgenlicht im Energiebereich von 2 keV - 5 keV (zwischen weicher und harter Röntgenstrahlung, englisch: tender x-rays), das von der EMIL-Beamline an der Röntgenquelle BESSY II bereitgestellt wird. In diesem Energiebereich lassen sich mit der Methode der Röntgenabsorptions-Nahkantenstrukturspektroskopie (englisch: X-ray absorption near-edge structure spectroscopy, kurz XANES) Oxidationsprozesse von H3PO3 zu H3PO4 verfolgen.
Unterschiedliche Oxidationsprozesse
"Wir haben damit verschiedene Prozesse für diese Oxidationsreaktion aufgedeckt, darunter die platinkatalysierte chemische Oxidation, die elektrochemische Oxidation unter positiver Potentialvorspannung an der Platinelektrode und die wärmegeförderte Oxidation. Diese spektroskopischen In-situ-Ergebnisse werden auch durch Ionenaustauschchromatographie und elektrochemische In-situ-Charakterisierungen bestätigt", erklärt Enggar Wibowo, Erstautor der Studie und Doktorand in Bärs Team. "Bemerkenswerterweise sind alle diese Oxidationswege mit Reaktionen mit Wasser verbunden. Das zeigt, dass die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle einen erheblichen Einfluss auf diese Prozesse hat."
Feuchtigkeit zur Optimierung nutzen
Damit weisen die Ergebnisse auch auf mögliche Verbesserungen in den Betriebsbedingungen von HT-PEM-Brennstoffzellen hin, z.B. durch eine Steuerung der Feuchtigkeit, um H3PO3 zu H3PO4 zu oxidieren. "Die Betriebsbedingungen von HT-PEM-Brennstoffzellen könnten damit optimiert werden, um eine Vergiftung des Katalysators durch H3PO3 zu verhindern und die Effizienz dieser Brennstoffzellen zu erhöhen", so Wibowo.
Vorfreude auf BESSY III
"Die Arbeit klärt einen wichtigen Degradationspfad von Brennstoffzellen auf und ist ein Beitrag auf dem Weg zu einer Wasserstoff-basierten Energieversorgung", sagt Marcus Bär. "Sie zeigt auch den großen Nutzen des mittleren „tender“ Röntgenbereichs, und wir freuen uns auf BESSY III, das diese Lücke zwischen weicher und harter Röntgenstrahlung schließen soll", fügt er hinzu.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- 83 Schülerinnen beim Girls'Day am HZBAm 23. April 2026 fand der jährliche Girl's Day statt, bei dem Schülerinnen Einblicke in verschiedene Berufe im Bereich der Naturwissenschaften, Technik und IT erhielten. 83 Schülerinnen besuchten die HZB-Standorte Adlershof und Wannsee und erlebten einen Tag voller spannender Experimente.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.