Die Suche nach umweltfreundlichen und nachhaltigen Energielösungen gehört zu den wichtigsten Herausforderungen unserer Zeit. Insbesondere Brennstoffzellen, die Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln, stehen im Fokus zahlreicher Forschungsprojekte. Sie zeichnen sich nicht nur durch eine hohe Effizienz aus, sondern emittieren lediglich Wasserdampf, was sie zu einer sauberen Alternative zu fossilen Brennstoffen macht. Trotz dieser Vorteile steht die breite Anwendung in vielen Bereichen noch aus, hauptsächlich wegen der hohen Kosten aufgrund kritischer Materialien und aufgrund der Umweltbelastungen bei Herstellung und Entsorgung. Eine bedeutende Innovation von Forschern der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie und SINTEF könnte diese Herausforderungen jedoch überwinden und damit den Durchbruch für Brennstoffzellentechnologie in Verkehr, Schifffahrt und sogar Luftfahrt ermöglichen.
Kernelemente von Brennstoffzellen sind die Membran und der Katalysator, welche gemeinsam den Wasserstoff in elektrische Energie umwandeln. Die Membran besteht meist aus fluorhaltigen Polymeren, die zu den sogenannten per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS) gehören. Diese Chemikalien sind aufgrund ihrer Stabilität und Haltbarkeit zwar technisch äußerst geeignet, stellen aber aufgrund ihrer Umwelt- und Gesundheitsrisiken eine Herausforderung dar. Hinzu kommt der Katalysator, der mit winzigen Platinpartikeln beschichtet ist. Platin ist ein kostbares und sehr seltenes Edelmetall, dessen Gewinnung energieintensiv und umweltbelastend ist.
Die Kombination dieser beiden Komponenten macht bis zu 41 Prozent der Gesamtkosten einer Brennstoffzelle aus. Die norwegischen Wissenschaftler konzentrierten sich deshalb darauf, die Menge dieser Materialien in Brennstoffzellen zu reduzieren, ohne dabei Leistungseinbußen in Kauf zu nehmen. Ihre Lösung ist eine „rasend dünne“ Membran, die im Vergleich zu bisherigen Varianten 33 Prozent weniger dick ist. Während die Standard-Membranen bisher eine Dicke von 15 Mikrometern aufweisen, konnten die Forscher diese auf nur noch 10 Mikrometer reduzieren – das entspricht etwa einem Zehntel der Dicke eines A4-Blattes. Trotz dieser Reduktion bleiben die Leistungsparameter nahezu gleich, wie Tests zeigten.
Ein Grund dafür liegt in der sogenannten Grenzflächenresistenz, die den Protonentransport zwischen der Membran und der katalytischen Schicht bestimmt. Diese bleibt trotz dünnerer Membran erhalten, während der sogenannte Bulk-Widerstand, also der Widerstand im Inneren der Membran selbst, signifikant abnimmt. Eine weitere bemerkenswerte Innovation betrifft das verwendete Platin im Katalysator. Hier gelang den Forschern eine bemerkenswerte Reduzierung des Platinanteils um 62,5 Prozent gegenüber dem Stand der Technik. Das ist ein entscheidender Schritt, der nicht nur Kosten senkt, sondern auch den Druck auf die weltweit begrenzten Platinreserven verringert.
Insbesondere für die Europäische Union ist das von großer Bedeutung, da Platin als kritischer Rohstoff eingestuft wird und bisher hauptsächlich außerhalb Europas abgebaut wird. Durch diese Reduktion gewinnt die Brennstoffzellenherstellung auch in Bezug auf die Nachhaltigkeit deutlich an Relevanz. Der Zusammenspiel zwischen Membran und Katalysator ist entscheidend für die Effektivität einer Brennstoffzelle. Die mikroskopisch kleinen Platinpartikel wirken jeweils wie kleine Reaktoren, die den Wasserstoff spalten und Protonen freisetzen, die durch die Membran hindurchwandern. Je mehr dieser katalytischen Partikel vorhanden sind, desto größer ist theoretisch die Leistung.
Allerdings steigt damit auch der Materialaufwand und die Kosten. Um das optimale Gleichgewicht herzustellen, entstand bei SINTEF ein Verfahren, das diese Partikel in einer Weise anordnet, die mit deutlich weniger Material auskommt, ohne die Stromerzeugung messbar zu schwächen. Die dünnere Membran trägt ebenfalls zur Kostenersparnis bei. Die Herstellung fluorhaltiger Polymermembranen ist aufwendig und verursacht erhebliche Umweltrisiken, denn PFAS-Verbindungen gelten als persistent und können sich in der Umwelt anreichern. Sie gelten als gesundheitsschädlich und sind in der EU als problematisch eingestuft, was die Produktion, Verwertung und Entsorgung erschwert.
Eine Reduktion des Materialeinsatzes um ein Drittel mindert nicht nur die Kosten, sondern verringert auch die potenzielle Freisetzung dieser gefährlichen Substanzen deutlich. Somit schlägt die Innovation gleich zwei Fliegen mit einer Klappe: Sie macht die Brennstoffzelle wirtschaftlicher und zugleich umweltfreundlicher. Diese Fortschritte könnten die Akzeptanz von Brennstoffzellen in verschiedenen Sektoren erheblich verbessern. Vor allem im Schwerlastverkehr, in der Schifffahrt und perspektivisch auch in der Luftfahrt, wo elektrische Batterien durch ihr Gewicht und ihre Reichweite an Grenzen stoßen, bieten Wasserstoff-Brennstoffzellen eine vielversprechende Lösung. Dort kann ein leichterer und zugleich leistungsfähigerer Energiewandler dazu führen, dass die Technologie kostengünstiger und nachhaltiger betrieben werden kann, was den Umstieg auf emissionsfreie Antriebe beschleunigt.
Der veröffentlichten Studie im Journal of The Electrochemical Society zufolge balancieren die Forscher die Leistungsfähigkeit und den Materialeinsatz so optimal, dass eine Reduzierung der Membrankosten um bis zu 20 Prozent erreicht wird. Zusammen mit der starken Platinreduktion können die Gesamtkosten der Brennstoffzellen wesentlich sinken und die Umweltauswirkungen positiv beeinflusst werden. Werden die Laborergebnisse in die industrielle Praxis übernommen, steht ein bedeutender Sprung in Richtung nachhaltiger Zukunftstechnologien bevor. Der Erfolg basiert auf einer detaillierten Analyse der protonenelektrischen Prozesse und sorgfältigen Materialoptimierung. Das Zusammenspiel zwischen Grenzflächen- und Bulk-Widerstand wurde so angepasst, dass die Membran dünner wird, ohne Abstriche bei der Effizienz hinnehmen zu müssen.
Der Katalysator zeigt dank neuer Anordnungs- und Beschichtungstechniken eine weitaus höhere Materialeffizienz, sodass weniger Platin benötigt wird. Darüber hinaus könnte diese Technik ergänzend auch helfen, Brennstoffzellensysteme langlebiger zu machen und deren Wartungsaufwand zu reduzieren, da weniger Material auch potenziell weniger Materialermüdung bedeutet. Die Verbesserung der Nachhaltigkeit betrifft zudem den gesamten Lebenszyklus der Brennstoffzellen, von der Herstellung bis hin zur kaputten Entsorgung. Da besonders fluorierte Polymere schwer abbaubar sind, zeigt die Reduktion hier einen wichtigen Schritt hin zu einer Kreislaufwirtschaft im Energiesektor. Die Entwicklungen in Norwegen zeigen beeindruckend, wie moderne Materialwissenschaft und ingenieurstechnische Innovationen nicht nur technische Probleme lösen, sondern gleichzeitig ökologische und ökonomische Herausforderungen adressieren können.
Brennstoffzellen, die durch optimierte Dünnschichtmembranen und katalytische Beschichtungen leichter, effektiver, günstiger und umweltfreundlicher werden, sind ein Meilenstein für die nachhaltige Mobilität von morgen. So wird die Wasserstofftechnologie einen vielversprechenden Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen liefern, der global eine immer höhere Bedeutung gewinnt. Der Weg zu grüner Mobilität, die den Ressourcenverbrauch minimiert und gleichzeitig wirtschaftlich konkurrenzfähig ist, wird durch solche Innovationen sichtbar und erreichbar. Damit öffnet sich nicht nur für Großunternehmen und Energiekonzerne, sondern auch für Start-ups und mittelständische Betriebe ein Anwendungsfeld, in dem ökologische Verantwortung und wirtschaftlicher Erfolg Hand in Hand gehen können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neue Dünnschichtlösung mit stark reduziertem Materialeinsatz ein entscheidender Schritt in Richtung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft ist.
Sie bietet die technische Grundlage, um Brennstoffzellen als attraktive Alternative zu fossilen und batterieelektrischen Antrieben zu etablieren und die globale Energiewende zu beschleunigen. Die Entwicklung verspricht neben der Kostenersparnis auch einen verringerten ökologischen Fußabdruck und stärkt somit die Rolle von Wasserstoff als Schlüsselelement einer emissionsfreien Zukunft.
