Effizientere Brennstoffzellen 07.02.2022, 07:00 Uhr

Bahnbrechende Technik entfernt 99 Prozent CO2 aus der Luft

Forschenden der Universität Delaware ist der Durchbruch bei der Abscheidung von CO2 in der Brennstoffzelle gelungen. Das könnte sie künftig deutlich umweltfreundlicher, effizienter und leistungsfähiger machen. Das Prinzip ließe sich auch in Flugzeugen und Gebäuden anwenden – grundsätzlich dort, wo Systeme mit Wasserstoff betrieben werden.

Auto an Wasserstofftankstelle

Brennstoffzellen können künftig noch umweltfreundlicher und effizienter werden.

Foto: Panthermedia-net/aaw

Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in Elektrizität um. Sie werden zum Beispiel in Hybridfahrzeugen eingesetzt. Auch als Wärmelösung für Wohn- oder Geschäftsgebäude gibt es sie bereits. Viele von ihnen sind säurebasiert und damit wenig umweltfreundlich. Yushan Yan, Professor am Lehrstuhl „Henry Belin du Pont Chair of Chemical and Biomolecular Engineering“ der Universität von Delaware, USA, forscht seit einiger Zeit daran, die Hydroxidaustauschmembran-Brennstoffzellen (HEM-Brennstoffzellen) zu verbessern und damit eine umweltfreundliche und wirtschaftlichere Alternative zu den herkömmlichen säurebasierten Brennstoffzellen zu entwickeln.

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Allerdings haben die sogenannten HEM-Brennstoffzellen einen bedeutenden Nachteil: Sie zeigen sich sehr empfindlich gegenüber Kohlendioxid aus der Luft. Man könnte sagen, es erschwert einer HEM-Brennstoffzelle das Atmen. Das sorgt für eine deutliche reduziertere Leistung und Effizienz. Bis zu 20% hoch sei der Wert und damit eine Brennstoffzelle im Auto nicht besser als ein Benzinmotor. Eine Forschungsgruppe von Yushan Yan beschäftigt sich seit mehr als 15 Jahren mit einer Lösung für dieses CO2-Problem.

CO2 abtrennen – und damit Brennstoffzelle effizienter gestalten

„Als wir uns mit dem Mechanismus befassten, stellten wir fest, dass die Brennstoffzellen so gut wie jedes bisschen Kohlendioxid einfangen, das in sie eindrang, und sie waren wirklich gut darin, es auf eine Seite zu trennen“, erläutert Brian Setzler, Assistenzprofessor für die Forschung „Chemical and Biomolecular Engineering“. An sich weise die Brennstoffzelle praktisch einen eingebauten selbstreinigenden Prozess auf. Der sei zwar für die Brennstoffzelle an sich nicht gut, wenn man diesen allerdings in ein separates Gerät auslagern könne, sei eine Lösung greifbar nahe. Zum Beispiel in Form eines Kohlendioxidabscheiders.
„Es stellte sich heraus, dass unser Ansatz sehr effektiv ist. Wir können 99% des Kohlendioxids in einem Durchgang aus der Luft gewinnen, wenn wir das passende Design und die richtige Konfiguration verwenden“, sagt Yan. Das gelang ihnen, indem sie die Energiequelle für die elektrochemische Technologie in die Trennmembran einbetteten. Der Weg dorthin führte über einen internen Kurzschluss des Geräts. Indem sie die intern elektrisch kurzgeschlossene Membran ansteuern konnten, war es möglich, auf sperrige Komponenten wie Bipolarplatten, Stromkollektoren und elektrische Kabel zu verzichten, die üblicherweise in jeder Brennstoffzelle zu finden sind.

CO2-Abscheider auch für andere Anwendungen geeignet

Damit hatten die Forschenden ein elektrochemisches Gerät in der Hand, das zwar wie eine normale Filtermembran zum Abscheiden von Gasen aussieht, aber durch einen komplexen elektrochemischen Vorgang kontinuierlich winzige Mengen CO2 aus der Luft aufnehmen konnte. Zusätzlich richteten die Forscher noch eine Abkürzung ein durch das Einbetten von Drähten. Sie erleichtere es, den Kohlendioxidpartikeln von der einen zur anderen Seite zu wandern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gingen noch einen Schritt weiter und entwickelten ein kleineres Gehäuse, das nun größere Luftmengen gleichzeitig filterte. Dadurch würden Anwendungen mit einer Brennstoffzelle sowohl effektiver als auch kostengünstiger. Allein durch die Reduzierung von Komponenten sei das System schon günstiger, zugleich ergäbe sich dadurch nach Ansicht des Forscherteams auch eine einfachere Skalierbarkeit für den Markt. Eine elektrochemische Zelle mit einer Größe von zwei mal zwei Zoll könne kontinuierlich etwa 99% des Kohlendioxids entfernen. Und das mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Litern pro Minute in der strömenden Luft.

Berechne man die Größe für eine Anwendung in der Automobilindustrie, ergäbe sich für das Gerät etwa die Größe einer Gallone Wasser – das entspricht 3,78 Litern. Denkbar wären laut der Forschenden auch weitere Anwendungsbereiche: zum Beispiel wären sie als leichtere und effizientere Kohlendioxidentfernungsmaschinen für Raumfahrzeuge oder U-Boote geeignet, oder überall dort, wo eine kontinuierliche Filtration von entscheidender Bedeutung ist. Sofern sich die Wasserstoffwirtschaft weiterentwickle, sei auch ein Einsatz in Flugzeugen oder Gebäuden denkbar, denn dort sei die Luftumwälzung als Energiesparmaßnahme gern gesehen.

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Von Nina Draese

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