Gazenergie

Protonen "hüpfen" durch Brennstoffzellen

Zürich, 21.06.2017

 

Forschende der Empa und der ETH Zürich haben mit Experimenten dokumentiert, wie sich positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen) durch eine Brennstoffzelle bewegen. Dabei haben sie ein für Protonen bisher nur theoretisches Bewegungsmodell belegt.

Strom aus erneuerbaren Quellen lässt sich zur Produktion von Wasserstoff verwenden und in dieser Form speichern. Wasserstoff ist damit einer der Hoffnungsträger für eine sauberere Energiezukunft. Damit sich Wasserstoff möglichst effizient wieder in Strom umwandeln lässt, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, gilt es, Brennstoffzellen zu optimieren.

Eine Grundlage dafür haben der Physiker Artur Braun von der Forschungsanstalt Empa und ETH-Doktorandin Qianli Chen geschaffen: Sie haben die Beweglichkeit von positiv geladenen Wasserstoff-Ionen im Kristallgitter keramischer Brennstoffzellen entschlüsselt, wie die Empa am Mittwoch mitteilte.

Zuvor nur Theorie

Demnach folgt die Protonen-Bewegung dabei komplexeren Gesetzmässigkeiten als bisher angenommen, nämlich denen des sogenannten Polaronen-Modells, wie die Forschenden im Fachblatt "Nature Communications" berichten. Bisher galt dieses Modell nur für Elektronen und war für Protonen rein spekulative Theorie.

Das Polaronen-Modell beschreibt, wie sich Elektronen durch einen dielektrischen Kristall zwängen und dabei störende Atome aus dem Weg drücken, schrieb die Empa. Man kann sich die Bewegung auch wie ein Hüpfen von Position zu Position vorstellen.

Braun und Chen konnten durch ihre Experimente nun auch die Existenz von Proton-Polaronen belegen, die durch den Kristall "hüpfen". Dafür führten sie Experimente mit Kristallen unter verschiedenen Hochdruckbedingungen und bei Temperaturen bis zu 600 Grad Celsius durch.

Sprünge unter Hitze und Druck

Dabei beobachteten sie, dass die Leitfähigkeit bei Temperaturen zwischen 220 und 520 Grad stieg, und zwar mit den zunehmenden Gitterschwingungen im Kristall. Zunächst seien die Protonen im Kristallgitter gebunden, mit zunehmender Erwärmung und Gitterschwingung können sie jedoch immer besser durch den Kristall von Position zu Position springen. Unter hohem Druck bleibe jedoch weniger Platz für die Protonen-Sprünge und die Leitfähigkeit nimmt wieder ab, erklärte die Empa.

Die Erkenntnisse könnten wichtige Hinweise für die Auswahl der Materialien für Brennstoffzellen und Wasserstoffspeichern geben. Ausserdem lasse sich das das Verhalten von keramischen Isolatoren damit besser abschätzen - wichtige Informationen also, um die Energieumwandlung mit Brennstoffzellen künftig noch effizienter zu machen.