Wasserstoff: Forscher lösen großes Problem bei den Brennstoffzellen

Wasserstoff gilt zwar als Hoffnungsträger für eine klimafreundliche Energiezukunft - doch die Technik dahinter ist bislang oft teuer und kompliziert. Ein zentrales Problem herkömmlicher Festoxid-Brenn­stoff­zellen (SOFC) könnte nun gelöst sein.

Deutlich kühler nutzbar

Die Schwierigkeit dieser Technologie liegt in ihrer hohen Betriebstemperatur: Damit die Umwandlung von Wasserstoff in Strom und Wasser funktioniert, müssen diese Zellen normalerweise zwischen 700 und 800 Grad Celsius betrieben werden. Das treibt die Materialkosten in die Höhe und erschwert den Einsatz in Alltagsanwendungen.

Ein Forschungsteam der Kyushu-Universität in Japan hat nun einen Durchbruch erzielt, der dieses Hindernis überwinden könnte. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Materials berichten, entwickelten sie eine SOFC, die bereits bei 300 Grad Celsius effizient arbeitet. "Mit 300 °C sinken die Materialkosten deutlich, und der Weg zu Verbrauchergeräten wird frei", erklärte Studienleiter Yoshihiro Yamazaki, Materialwissenschaftler an der Kyushu-Universität.


Der Schlüssel zum Erfolg liegt in einer neu konstruierten Elektrolyt-Schicht. Diese keramische Schicht leitet positiv geladene Wasserstoffionen - also Protonen - durch ein Kristallgitter, wo sie zur Stromerzeugung beitragen. Normalerweise erfordert dieser Prozess hohe Temperaturen, um die Protonenbewegung zu ermöglichen. Das Team nutzte jedoch gezielt chemische Zusätze - sogenannte Dotierstoffe - in Kombination mit passenden Oxidkristallen, um die Leitfähigkeit auch bei deutlich niedrigeren Temperaturen zu erreichen.

Praxistauglicher als bisher

Nach umfangreichen Tests konzentrierten sich die Forscher auf zwei Materialien: Bariumstannat und Bariumtitanat. Beide wurden mit Scandium dotiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Scandium-Atome mit Sauerstoff-Atomen eine "breite, sanft vibrierende molekulare Autobahn" bilden, auf der Protonen mit außergewöhnlich geringer Energiebarriere wandern können. Zudem sind die beiden Materialien weicher als herkömmliche Elektrolyte und nehmen den Dotierstoff leichter auf.

"Unsere Arbeit verwandelt ein langjähriges wissenschaftliches Paradox in eine praxisnahe Lösung und bringt erschwingliche Wasserstoffenergie dem Alltag ein Stück näher", betonte Yamazaki. Auch wenn 300 °C im Vergleich zu Raumtemperatur immer noch hoch sind, gilt die Reduktion als bedeutender Schritt. Sie könnte nicht nur die Betriebskosten senken, sondern auch den Weg für eine breitere Nutzung von Festoxid-Brennstoffzellen ebnen - von industriellen Anwendungen bis hin zu künftigen Haushaltsgeräten.


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