Ein neuer Katalysator für Brennstoffzellen
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Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen |
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METALLISCHE NANOPULVER wie diese könnten als Katalysatoren in Akkus und Brennstoffzellen Anwendung finden.
Leistung und Kosten sind die entscheidenden Faktoren. |
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Fast 40% der Gesamtkosten einer Brennstoffzelle lassen sich den Katalysatoren zuschreiben. |
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METALLDÄMPFE werden durch Edelgas in einer Vakuumkammer wie dieser gekühlt, um Nanopulver zu
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Nickel-Kobalt wird als preisgünstige Alternative zu Platinkatalysatoren angesehen
Von Virginia Heffernan
Nickel Magazine, November 2005 -- Der Preis eines Katalysators ist eine der Hauptbarrieren für die Entwicklung von erschwinglichen Brennstoffzellen. Deshalb wird jeder, der einen billigeren Katalysator konstruieren kann, einen bedeutenden Beitrag zur Kommerzialisierung der alternativen Energietechnologie leisten.
Die in Kalifornien ansässige Firma QuantumSphere Inc., ein führender Hersteller von metallischen Nanopulvern, behauptet, mit der Entwicklung eines Nickel-Kobalt-Nanomaterials, das Platinkatalysatoren in einer Reihe von Akku- und Brennstoffzellenanwendungen teilweise oder vollständig ersetzen könnte, dies schon geleistet zu haben.
Platin ist bei einem aktuellen Preis von 75 US $ pro Gramm im Masseneinkauf etwa fünf Mal teurer als die Nickel-Kobalt-Legierung von QuantumSphere, die etwa 15 US $ pro Gramm kostet. Nach Aussagen von QuantumSphere könnten deshalb Hersteller von Akkus und Brennstoffzellen ihre Kosten um etwa 50 % verringern, wenn sie in Katalysatoren anstelle von Platin das neue Nanomaterial verwenden würden.
QuantumSphere ließ vor kurzem seine Ergebnisse durch DoppStein Enterprises Inc., eine in den USA ansässige Beratungsfirma für Akkus und Brennstoffzellen, bestätigen.
Bei Verwendung des Nickel-Kobalt-Nanomaterials ist die Leistung jedoch etwas geringer. DoppStein fand beispielsweise, dass sich die Kosten um 90 % und die Leistung verglichen mit reinem Platin um 27 % verringern würden, wenn das gesamte Platin auf der Kathode (7,7 Mikrogramm pro Quadratzentimeter) durch Nickel-Kobalt ersetzt würde. Wird aber nur die Hälfte des Platins ersetzt, fallen die Kosten um 43 % bei einer Leistungsverringerung um lediglich 10 %.
„Fast 40 % der Gesamtanlagekosten lassen sich in diesen Systemen den Katalysatoren zuschreiben, deren hohe Preise eine kommerzielle Industrialisierung des Geräts verhindern", erklärt Dr. Kimberly McGrath, der Direktor für Brennstoffzellenforschung in der Firma. „Wenn Sie die Kosteneinsparungen [mit der (urheberrechtlich geschützten) Legierung] und die geringe Leistungseinbuße gegenseitig abwägen, haben Sie einen riesigen Vorteil."
QuantumSphere führt nach den vorläufigen Ergebnissen eine Reihe von Optimierungsexperimenten durch, die dazu führen sollen, dass die Legierung die Aktivität von platinkatalysierten Kathoden erreicht oder übertrifft. Die aktuelle Legierung besteht aus 80 % Nickel und 20 % Kobalt, aber die Zusammensetzungen werden abhängig von den weiteren Testergebnissen und Kundenanforderungen variieren.
QuantumSphere begann mit der Arbeit am Nickel-Kobalt-Nanomaterial, nachdem ein führender Akkuberater, der eine billigere Alternative zu Platin in Akku-Katalysatoren suchte, sich an die Firma wandte, erklärt der Firmenpräsident Kevin Maloney.
„Die Anstöße für uns kommen von den großen Firmen, die zu uns kamen und die Herausforderungen beschrieben, vor denen sie stehen, und die Lösungen, die sie gern erhalten würden", meint er.
Die Gasphasenkondensation-Technologie zur Herstellung von Nickel-Kobalt-Nanomaterial gibt es schon etwa 30 Jahre. Durch Anpassen des Verfahrens zum Steuern der Teilchengröße und der Dicke der Oxidschale auf dem Teilchen können die Naturwissenschaftler von QuantumSphere etwas erreichen, was vormals unmöglich schien: eine gleichmäßige Verteilung der erforderlichen Teilchengröße entstehen zu lassen.
Dieser Durchbruch ermöglichte QuantumSphere, eine voll automatisierte Produktionsanlage zu entwickeln, die dem Bedarf angepasst werden kann. Die Produktionskapazität stieg von einigen Gramm pro Tag auf mehrere Kilogramm pro Tag bzw. mehrere Tausend Kilogramm pro Jahr.
Die Gasphasenkondensation findet in einer Vakuumkammer statt, in der Metalldraht bei hohen Temperaturen geschmolzen wird. Während das Metall verdampft, wird der Dampf durch Edelgas gekühlt und zu flüssigen Metalltröpfchen kondensiert. Die Merkmale der Teilchen können durch Anpassen des Drucks, der Temperatur und des Gasstroms in der Kammer geändert werden.
Die Oberfläche des resultierenden Nickel-Kobalt-Nanomaterials ist im Verhältnis zur Teilchengröße so groß, dass praktisch jedes Teilchen im Atom reagieren kann.
„Nanoskalig haben Naturwissenschaftler wirklich ein neues Periodensystem geschaffen, wenn man so sagen will", erklärt Maloney. „Diese Materialien sind viel energiereicher. Diese Leistung lässt sich μ-skalig einfach nicht erreichen."
Virginia Heffernan ist eine in Toronto ansässige Autorin von wissenschaftlichen Texten.
FOTOS: QuantumSphere Inc.
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Kevin Maloney |
