Schutzschirm für die Brennstoffzelle

Ein Redoxhydrogel schützt Hydrogenasen, mit deren Hilfe sich aus Wasserstoff Strom erzeugen lässt, vor Sauerstoff

Aus Wasserstoff könnte sich künftig kostengünstiger Strom gewinnen lassen als bisher. Wissenschaftler des Zentrums für Elektrochemie – CES an der Ruhr-Universität Bochum und des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr haben eine Möglichkeit gefunden, in Brennstoffzellen preiswerte Biokatalysatoren einzusetzen. Brennstoffzellen erzeugen Strom, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser umsetzen. Bisher verwendeten Wissenschaftler und Ingenieure für diesen Prozess Katalysatoren auf Edelmetallbasis. Diese sind zwar effizient und stabil, aber auch teuer und nur in geringen Mengen verfügbar. Das Team der Bochumer und Mülheimer Forscher hat nun einen Weg gefunden, die ebenfalls sehr effizienten, aber besser verfügbaren und preiswerteren Enzyme mit einem Puffer vor den Bedingungen in der Brennstoffzelle zu schützen, unter denen die ungeschützten Katalysatoren rasch zerstört wurden.

Manche Bakterien und Algen haben der Technik etwas voraus. Sie nutzen Hydrogenasen, also Enzyme oder Biokatalysatoren aus gut verfügbaren Elementen wie Kohlenstoff, Wasserstoff Eisen und Nickel, um Wasserstoff herzustellen und kommen dabei völlig ohne Edelmetalle wie Platin aus. Hydrogenasen katalysieren aber nicht nur die Erzeugung von Wasserstoff, sondern auch seine Umwandlung in Wasser, mit deren Hilfe Brennstoffzellen Strom liefern. Dabei erreichen die effizientesten Hydrogenasen die Umsatzrate von Platin. „Damit sind Hydrogenasen möglicherweise eine interessante Alternative zu Edelmetallen“, sagt Wolfgang Schuhmann, der den Lehrstuhl für Analytische Chemie an der Ruhr Universität Bochum hält.

Die Technik konnte sich dieser Enzyme in Brennstoffzellen bisher jedoch nicht bedienen. Denn Hydrogenasen können nicht unter den Bedingungen arbeiten, die in einer Brennstoffzelle herrschen. Dort gibt es reichlich Sauerstoff und hohe elektrische Potenziale, die die Biokatalysatoren deaktivieren. So wurden die Elektroden von Brennstoffzellen bisher mit Edelmetallen wie Platin überzogen, um die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser zu katalysieren.

Redoxhydrogele: Schutzschild für effiziente, aber empfindliche Katalysatoren

Das Team aus Bochum und Mülheim entwickelte nun ein Konzept, um Brennstoffzellen trotzdem mit den empfindlichen Katalysatoren betreiben zu können. Die Schlüsselidee: Die Forscher schirmen den Katalysator durch eine schützende Matrix ab, deren Eigenschaften sie so maßschneiderten, dass das Material den Deaktivierungsprozess unterbindet.

Anstatt die Hydrogenase direkt mit der Elektrode in Kontakt zu bringen, betten sie den empfindlichen Katalysator in ein Redoxhydrogel ein. Dieses dient gleichzeitig als Redoxpuffer und Sauerstofffänger, sodass in dem Hydrogelfilm weder hohe Potenziale noch Sauerstoff auf den Biokatalysator einwirken. Unter bestimmten Arbeitsbedingungen kann die mit Hydrogel modifizierte Brennstoffzelle chemische Energie aus Wasserstoff über mehrere Wochen in elektrische Energie umwandeln. Ohne das Hydrogel wird die Hydrogenase innerhalb kürzester Zeit zerstört.

„Das Hydrogelkonzept eröffnet die Möglichkeit, auch andere empfindliche biologische und künstliche Katalysatoren, deren intrinsische Stabilität nicht verbessert werden kann, in Brennstoffzellen zu nutzen“, sagt Wolfgang Lubitz, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr. „Das ist ein großer Schritt in Richtung eines erheblich verbesserten Brennstoffzellendesigns und in Richtung einer globalen nachhaltigen Energiewirtschaft in unserer Gesellschaft.“

Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenz-clusters RESOLV (EXC 1069) unterstützt.

ES/PH