Gradierte Katalysatoren in Brennstoffzellen – Leistungssteigerung ohne höheren Platineinsatz

Caidi hat dazu systematisch verschiedene Zusammensetzungsgradienten auf voroptimierte, nicht gradierte Katalysatorschichten aufgesetzt und untersucht. Er hat Durchgangsgradienten in den Kategorien Pt/C-Beladung, dem Ionomer-Kohlenstoff-Verhältnis und dem Ionomeräquivalentgewicht eingeführt – sowohl einzeln als auch in Kombination.

Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie wurden die zugrunde liegenden Transport- und kinetischen Effekte aufgedeckt. „Diese Strategie ermöglichte es uns, die Beiträge von kinetischen, Massentransport- und Ohm’sche Widerstandseffekten klar voneinander zu trennen“, erläutert Caidi.

Gradierte Katalysatoren steigern Leistung deutlich

Und der Aufwand hat sich gelohnt: Der vollständig abgestufte Katalysator zeigte schließlich im Vergleich zur voroptimierten Referenz eine Leistungssteigerung von 32 % bei 0,6 V (feuchte Bedingungen) und eine Steigerung von 17 % bei 0,6 V (trockene Bedingungen). Diese Ergebnisse unterstreichen die entscheidende Bedeutung der Kombination einer robusten Basisoptimierung mit einem rationalen Gradienten-Design, das einen umfassenden Weg zur Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Minimierung des Edelmetallverbrauchs bietet.

Diese Verbesserungen adressieren direkt zwei der drängendsten Herausforderungen der Brennstoffzellenforschung: eine effiziente Katalysatorausnutzung und robuste Leistung unter wasserlimitierten Betriebsbedingungen.

Die Publikation ist für das Forschungsfeld hoch relevant, da sie die Lücke zwischen fundamentalem elektrochemischem Verständnis und praktischen Elektroden-Designstrategien schließt. Durch die systematische Variation und Analyse von Gradientenkonzepten liefert die Studie einen Bauplan für PEMFC-Elektroden der nächsten Generation und inspiriert neue Ansätze in der materialorientierten Entwicklungsforschung.

Über Brennstoffzellen hinaus lässt sich die Methodik, Basisoptimierung mit Gradienten-Engineering zu kombinieren, auch auf Elektrolyseure übertragen, was den breiten Impact dieser Arbeit unterstreicht. Die Bedeutung spiegelt sich auch in der Veröffentlichung in Energy Materials (Impact Factor 11,2) wider – einem führenden Journal im Bereich Energieforschung, das die wissenschaftliche und praktische Relevanz unserer Ergebnisse hervorhebt.