RMIT University / Akkutechnik Forscher präsentieren wiederaufladbare Protonenbatterie

Die Protonenbatterie des RMIT verbindet einen Elektrolyseur mit einer Brennstoffzelle.
Die Protonenbatterie des RMIT verbindet einen Elektrolyseur mit einer Brennstoffzelle.

Einen Protonen-Akku, der aus einer reversiblen Brennstoffzelle besteht, haben Forscher der RMIT University präsentiert. Bei Weiterentwicklung könnte ein solcher Akku mehr Energie speichern als derzeit verfügbare Li-Ionen-Akkus. Er eignet sich für stationäre Energiespeicher und Elektrofahrzeuge.

Der Prototyp einer Protonenbatterie, den Forscher der RMIT University in Melbourne (Australien) vorgestellt haben, vereint die Vorzüge von Brennstoffzellen mit der Speicherung von elektrischer Energie in Akkus. Die neueste Version kombiniert eine Kohlenstoffelektrode zur Festkörperspeicherung von Wasserstoff mit einer reversiblen Brennstoffzelle. Mögliche Anwendungen sind stationäre Energiespeicher für Strom aus Fotovoltaikmodulen, wie sie derzeit von der Teslas Powerwall mit Lithium-Ionen-Batterien praktiziert wird, oder die mittelgroße Speicherung für die Stabilisierung von Stromnetzen sowie der Antrieb von Elektrofahrzeugen.

Experimente zeigten, dass eine kleine Protonenbatterie (max. Zellenspannung 1,2 V) mit einer aktiven Innenfläche von nur 5,5 cm² mit etwa einem Gewichtsprozent Wasserstoff bereits so viel Energie pro Masseeinheit speichern konnte wie handelsübliche Li-Ion-Akkus. Doch die Protonenbatterie ist noch lange nicht ausgereift.

»Die Elektrode aus poröser Aktivkohle aus Phenolharz plus Protonen aus Wasser verleihen dieser Batterie ihren ökologischen, energetischen und potenziellen ökonomischen Vorteil«, meint der leitende Forscher Professor John Andrews. »Unser jüngster Fortschritt ist ein entscheidender Schritt in Richtung billiger, nachhaltiger Protonenbatterien. Diese können dazu beitragen, unseren zukünftigen Energiebedarf zu decken, ohne unsere ohnehin schon gefährdete Umwelt weiter zu schädigen.«

Weiter führt Andrews aus: »Der Kohlenstoff, die wichtigste Ressource in unserer Batterie, ist reichlich vorhanden und kostengünstig im Vergleich zu Metalllegierungen, die Wasserstoff speichern, sowie dem Lithium für Lithium-Ionen-Akkus.«

So funktioniert die Protonenbatterie

Beim Aufladen werden die durch das Aufspalten von Wasser in einer reversiblen Brennstoffzelle erzeugten Protonen durch die Zellmembran geleitet und mithilfe der von der angelegten Spannung zugeführten Elektronen direkt mit dem Speichermaterial verbunden, ohne dass dabei gasförmiger Wasserstoff entweicht.

Im Energieversorgungsmodus kehrt sich dieser Vorgang um. Wasserstoffatome werden aus dem Speicher herausgelöst und geben dabei jeweils ein Elektron ab, sodass wieder Protonen daraus werden. Diese Protonen gelangen dann durch die Zellmembran zurück, wo sie sich mit dem Luftsauerstoff und Elektronen aus dem äußeren Kreislauf zu Wasser verbinden.

Ein großer Pluspunkt der Protonenbatterie ist die deutlich höhere Energieeffizienz gegenüber herkömmlichen Wasserstoffsystemen, die vergleichbar ist mit der von Li-Ion-Batterien. Die mit der Entwicklung von Wasserstoffgas und der Rückspaltung in Protonen verbundenen Verluste entfallen.

Vor einigen Jahren demonstrierte das RMIT-Team, dass eine Protonenbatterie mit einer Elektrode aus einer Metalllegierung zur Wasserstoffspeicherung funktionieren könnte, aber ihre Reversibilität und Wiederaufladbarkeit war zu gering. Auch die verwendete Legierung enthielt Seltenerdelemente und war daher schwer und teuer.

Der erfolgreiche Einsatz einer Elektrode aus Aktivkohle in einer Protonenbatterie ist ein wurde im International Journal of Hydrogen Energy veröffentlicht.