Die Dekarbonisierung des Verkehrssektors hat dank der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) große Fortschritte gemacht. Diese Technologie, die in Laptops, Telefonen, Fahrrädern und anderen elektronischen Geräten weit verbreitet ist, wurde so weit optimiert, dass sie inzwischen die meisten Elektrofahrzeuge antreiben kann. Mit dem Ausbau der Ladeinfrastruktur haben sich LIBs vorerst als führende Technologie im umweltfreundlichen Verkehr etabliert.
Doch die Vorherrschaft der LIB-Technologie könnte sich in Zukunft ändern. Im industriellen und kommerziellen Verkehr – etwa bei Gabelstaplern, Bussen und Fernlastern – gewinnen Wasserstoff-Brennstoffzellen (H2-BZ) zunehmend an Bedeutung. Es handelt sich hierbei nicht um konkurrierende Technologien; vielmehr ergänzen sich H2-BZ und LIBs. Während Lithium-Ionen-Batterien vor allem in Personenkraftwagen zum Einsatz kommen, sind Wasserstoff-Brennstoffzellen bei großen Reichweiten und kurzen Betankungszeiten entscheidend für den Übergang weg von fossilen Kraftstoffen.
Ähnlich wie die Lithium-Ionen-Technologie wird auch die H2-BZ-Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und sowohl von Regierungen als auch von der Privatwirtschaft stark gefördert. Im Verkehrssektor bieten Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge deutlich größere Reichweiten als LIBs, und die Betankungszeit ist vergleichsweise kurz. So hat beispielsweise die Nikola Corporation im Januar 2024 in den USA wasserstoffbetriebene Lastwagen mit einer Reichweite von 800 Kilometern und einer Betankungszeit von nur 20 Minuten vorgestellt.
Darüber hinaus kommen Wasserstoff-Brennstoffzellen in Lagerhallen zum Einsatz, um schwere Lasten mit Gabelstaplern zu bewegen. In Regionen, in denen Elektrifizierung aufgrund praktischer oder wirtschaftlicher Hindernisse nicht umsetzbar ist, werden H2-BZ sogar in Zügen eingesetzt.
Die Zukunft dieser Technologie sieht vielversprechend aus. Zwischen 2024 und 2036 wird ein enormes Wachstum des globalen Brennstoffzellenmarkts erwartet, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 46,2 %. Im Jahr 2023 wurde der Transportsektor allein auf 1,57 Milliarden USD geschätzt.
Der prognostizierte Anstieg der Nachfrage nach H2-BZ im Mobilitätssektor wird vor allem durch Schwerlastkraftwagen, Busse sowie neue Anwendungen in der Luftfahrt und Schifffahrt getrieben. In diesen Bereichen gelten H2-BZ als überlegen, da Lithium-Ionen-Batterien nicht genügend Energie speichern können, um weite Entfernungen zwischen den Lade- oder Betankungsvorgängen zu bewältigen.
Trotz zahlreicher Anwendungsmöglichkeiten und optimistischer Prognosen gibt es Herausforderungen: Dazu zählen die Sicherstellung einer hohen Produktionsqualität und der Aufbau einer zuverlässigen Betankungsinfrastruktur. Die korrosive und entflammbare Natur des Wasserstoffs bringt zusätzliche Risiken mit sich und erfordert spezielle Transport- und Lagereinrichtungen.
Wasserstoff-Brennstoffzellen für Elektrofahrzeuge nutzen eine protonenleitende Polymermembran als Elektrolyt und werden als Proton Exchange Membrane-Brennstoffzellen (PEM) bezeichnet.
Wie Batterien bestehen PEM-Brennstoffzellen aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten. An der Anode wird Wasserstoff in H+-Ionen und Sauerstoff an der Kathode in O−-Ionen umgewandelt. Diese Ionen verbinden sich schließlich zu Wasser. Beide Elektroden benötigen einen Katalysator, um die chemischen Reaktionen zu ermöglichen.
Der Katalysator, meist Platin oder Iridium an der Anodenseite und Nickel an der Kathodenseite, wird in Form einer dünnen Schicht auf die PEM-Oberfläche aufgetragen. Für eine optimale Brennstoffzellenleistung sind Dicke, Reinheit und Gleichmäßigkeit der Beschichtung entscheidend. Besonders problematisch sind Verunreinigungen durch Eisen, da diese mit Wasserstoffperoxid reagieren und in der Fenton-Reaktion freie Radikale erzeugen:
Fenton-Reaktion: Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO. + OH-
H2O2 + HO. → HO2. + H2O
Diese freien Radikale können die Ionenaustauschmembran beschädigen und die Lebensdauer der Brennstoffzelle erheblich verkürzen. Daher ist es entscheidend, sowohl die Beschichtung von Platin und Iridium als auch das Vorhandensein von Eisenpartikeln (und anderen metallischen Verunreinigungen) in den Membran-Elektroden-Einheiten (MEAs) zu überwachen.
Das Analysegerät EA8000A kombiniert Röntgentransmission, optische Mikroskopie und Röntgenfluoreszenzspektrometrie, um Metallverunreinigungen in MEAs zu lokalisieren und zu charakterisieren.
Das einfach einzurichtende und schnell scannende EA8000A revolutioniert die Qualitätskontrolle von Brennstoffzellen. Es erstellt eine topologische Karte der Elektrodenoberfläche, die Position und Zusammensetzung aller Metallpartikel sichtbar macht, und ermöglicht damit eine präzise Vorhersage der Leistung und Langlebigkeit der Brennstoffzellen.
Weitere Messmöglichkeiten
Die RFA-Tischgeräte LAB-X5000 und das RFA-Handgerät X-MET8000 bieten schnelle und präzise, zerstörungsfreie Messungen der Dicke und des Gewichts der Platin- und Iridium-Beschichtung. Beide Geräte sind für eine Produktionsumgebung mit hohem Durchsatz ausgelegt.
Weitere Informationen
Laden Sie die [Applikationsberichte (Englisch)] für den Einsatz des LAB-X5000 und des X-MET8000 herunter, um mehr über die Analyse der Katalysatorbeschichtung zu erfahren
Fallstudie: Werkstoffanalyse von Wälzlagerprodukten mit dem X-MET8000 RFA Handgerät bei Kugellager-Express
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