Die Hochtemperatur-Brennstoffzellen der Firma Hexis wandeln ein Synthesegas bestehend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan in Strom um. Ein solches Brennstoffzellen-System reicht aus, um ein Einfamilienhaus mit dem Grundbedarf an Strom, aber auch an Raumwärme und Warmwasser zur versorgen, weil die dabei entstehende Abwärme dafür eingesetzt wird. Von konventionellen Öl- und Gasheizungen unterscheidet sich eine Brennstoffzelle darin, dass sie zusätzlich Strom produziert und eine klimafreundlichere CO2-Bilanz aufweist. Im Rahmen eines von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) geförderten Projekts hat die ZHAW School of Engineering gemeinsam mit der Empa und Hexis einen keramischen Oxidationskatalysator entwickelt, der den hohen Temperaturen in der Brennstoffzelle standhält und gleichzeitig kostengünstig ist.

Keramik statt Edelmetall

In ihrem Projekt haben sich die drei Partner zum Ziel gesetzt, einen Katalysator mit einer Doppelfunktion zu entwickeln: Zum einen soll er eventuell auftretendes Kohlenmonoxid in CO2 umwandeln, so wie es Katalysatoren in Autos machen. Zum anderen soll er aber auch metallische Rückstände einfangen, die durch Abrieb entstehen. „Das Gas der Brennstoffzelle ist so heiss, dass herkömmliche Edelmetall-Katalysatoren innert kürzester Zeit überfordert sind und nicht mehr funktionieren“, erklärt Dr. Andre Heel, der das Projekt am ZHAW-Institute of Materials and Process Engineering (IMPE) leitet. Ausserdem erfüllen diese Katalysatoren die Anforderungen in Bezug auf das Einfangen metallischer Rückstände nicht: „Sie basieren auf teuren Edelmetallen, deren Oberfläche nur belegt werden kann, jedoch nichts aufnimmt oder bindet und damit inaktiv wird.“ Statt auf Edelmetalle setzte das IMPE deshalb auf eine spezielle Keramik.

Keramik nimmt Rückstände auf

In der institutseigenen Versuchsanlage hat das IMPE diverse keramische Materialien entwickelt und getestet. Ein Perowskit erwies sich im Laufe der Untersuchungen als geeignetes Material. Diesen haben Andre Heel und sein Team chemisch so behandelt, dass er nun eine optimale Aufnahmefähigkeit besitzt und extrem hohen Temperaturen standhält: „Die von uns verwendete Keramik ist reaktiv, das heisst sie kann die im Abgas enthaltenen metallischen Rückstände in die Kristallstruktur aufnehmen und binden, bleibt aber gleichzeitig weiter katalytisch aktiv.“ Man kann sich den Katalysator vereinfacht wie einen Schwamm vorstellen: Das Abgas strömt hindurch – die Schadstoffe werden abgeschieden und von der Keramik aufgenommen. Grundsätzlich wären auch andere Anwendungsgebiete für den Keramik-Katalysator denkbar: „Natürlich müsste man die Keramik an die jeweiligen Anforderungen adaptieren, denn je nach Anwendung sind wieder andere Substanzen einzufangen. Wir haben uns bei der Wahl des Materials auf das Gas in der Brennstoffzelle spezialisiert“, so Andre Heel.

Fortsetzung des Projekts geplant

Im KTI-Projekt ging es in erster Linie um den Mechanismus und das Funktionsprinzip. Über die zu erwartende Lebensdauer des neuen Katalysators lässt sich noch nicht abschliessend urteilen. „Wir konnten in diesem zweijährigen KTI-Projekt noch nicht nachweisen, ob der Katalysator auch über acht Jahre hält, was ungefähr der Betriebszeit einer Brennstoffzelle entspricht“, erklärt Andre Heel. Derzeit sind mehrere Testanlagen in Betrieb, in denen auch auf lange Zeit untersucht werden soll, wie sich der Katalysator verhält.