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Wasser statt Wasserstoff im Tank?

Neue Wismut-Legierung macht die Wasserstoff-Produktion mobil

Mit Wasserstoff lässt sich in Brennstoffzellen elektrische Energie erzeugen, die für Elektromobile genutzt werden kann. © Luchschen/iStock

Billiger Treibstoff für Brennstoffzellen: Forscher haben eine neue Methode entdeckt, um Wasserstoff auf simple Weise aus einer Reaktion von Wasser mit Aluminium zu gewinnen. Das neue Verfahren ist schneller und effektiver als die bisherige Wasserstofferzeugung. Vor allem aber könnte es die Wasserstoffproduktion mobil machen und direkt in die Brennstoffzelle integrieren. Dadurch könnten beispielsweise Brennstoffzellenautos künftig einfach Wasser tanken statt des Wasserstoffs.

Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft. Als Treibstoff für Brennstoffzellen soll er auf klimafreundliche Weise elektrische Energie liefern. Diese Technik ist nicht nur für Fahrzeuge interessant: Es gibt bereits Prototypen für kleine Flugzeuge und beheizte Haushalte. Doch Wasserstoff zu speichern ist wegen seiner geringen Dichte aufwendig, die Herstellung ist langsam und ineffektiv und das Elektrodenmaterial teuer. Mit neuen Elektroden kann das Gas zwar schon mit einer einfachen 1,5 Volt-Batterie erzeugt werden, doch die Laufzeit der Elektrode ist begrenzt.

Ausgangsstoff Wasser

Forscher um Schuo Xu von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben nun eine Methode entwickelt, durch die Brennstoffzellen-Fahrzeuge in Zukunft einfach Wasser statt Wasserstoff tanken könnten. Möglich wird dies durch eine direkt der Brennstoffzelle vorgeschaltete Wasserspaltung mithilfe aktiver Metalle. Dabei reagieren bestimmte Metalllegierungen mit Wasser und Aluminium zu Wasserstoff. Bisher allerdings kam diese Reaktion schnell wieder zum Erliegen, weil sich eine Oxidschicht auf den Aluminium bildete.

Xu und sein Team haben nun neue Legierung entdeckt, die dieses Problem löst. Basis des neuen Verfahren ist eine Legierung aus den Metallen Gallium, Indium, Zinn und Wismut. Wenn die Metall-Legierung auf eine in Salzwasser getauchte Aluminium-Platte trifft , entstehen Aluminiumhydroxid und Wasserstoff. Dieser Wasserstoff kann dann in einer Brennstoffzelle mit Protonenaustausch-Membran direkt in elektrische Energie umgewandelt werden.

Aus Wasser und Aluminium entsteht der Wasserstoff für die Brennstoffzelle.© Jing Liu / Chinese Academy of Sciences

Wismut als Schlüsselkomponente

Entscheidend für die Effizienz der neuen Legierung ist nach Aussage der Wissenschaftler das Wismut. Die wismuthaltige Legierung war in Tests wesentlich effizienter als die, die nur aus Gallium, Indium und Zinn bestanden. Die Legierung kann auch mehrmals wiederverwendet werden, was den Prozess kostensparend und umweltschonend macht, wie Xu und sein Team erklären.

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In ersten Tests kombinierten die Forscher ihren Wasserstoffreaktor mit einer kleinen Brennstoffzelle und versorgten diese so erfolgreich mit Wasserstoffnachschub. 80 Milliliter Salzwasser und wenige Gramm Legierung und Aluminiumm reichten dabei aus, um die Brennstoffzelle für mehr als eine Stunde mit Wasserstoff zu versorgen – und eine LED zum Leuchten zu bringen.

Umweltfreundlich und effizient

„Diese Reaktion erbringt alle Voraussetzungen, um Brennstoffzellen mit Wasserstoff zu versorgen, darunter vor allem Stabilitität, eine hohe Reinheit und eine hohe Effizienz“, berichten die Forscher. Das neue Verfahren sei außerdem wesentlich effizienter als bisherige Methoden und liefere Wasserstoffproduktionsraten von bis zu 92 Prozent.

Eingesetzt werden könnte die Technik künftig vor allem in kompakten und tragbaren Brennstoffzellen, wie sie beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden. Doch die Methode ist laut Liu noch nicht hundertprozentig ausgereift. „Es gibt verschiedene Probleme bei den bestehenden Methoden zur Trennung der Chemikalien nach der Reaktion“, sagte Liu. „Eine saure oder alkalische Lösung kann das Nebenprodukt Aluminiumhydroxid auflösen, verursacht aber auch Probleme durch Korrosion und Verunreinigungen.“

Sobald diese Schwierigkeiten jedoch gelöst sind, könnte die Technologie für Anwendungen in Verkehrsmitteln bis hin zu tragbaren Geräten eingesetzt werden. (Journal of Renewable and Sustainable Energy , 2020; doi: 10.1063/1.512437)

Quelle: American Institute of Physics

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