Brennstoffzellen gelten als wichtiger Baustein für eine klimafreundliche Energieversorgung. Sie wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Anders als Batterien müssen sie dabei nicht erst geladen werden. Solange Brennstoff und Sauerstoff vorhanden sind, liefern sie kontinuierlich Strom.
Ein besonders leistungsfähiger Typ sind Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC). Sie arbeiten bei hohen Temperaturen von etwa 600 °C bis über 800 °C. Dadurch können sie unterschiedliche Brennstoffe nutzen, etwa Wasserstoff, Erdgas, Biogas oder Synthesegas.
Doch genau diese Flexibilität bringt ein Problem mit sich: Viele dieser Brennstoffe enthalten Schwefelverbindungen. Selbst kleinste Mengen können die Elektroden der Brennstoffzelle schädigen. Forschende sprechen von Schwefelvergiftung. Eine neue Studie der University of Utah zeigt nun, wie sich dieses Problem möglicherweise lösen lässt.
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Wenn Schwefel die Anode blockiert
In herkömmlichen SOFC-Systemen bestehen die Anoden meist aus Nickel-basierten Materialien. Nickel ist ein guter Katalysator für elektrochemische Reaktionen. Es reagiert jedoch empfindlich auf Schwefel.
Schon wenige ppm (parts per million) Schwefelwasserstoff (H₂S) reichen aus, um die Leistung der Zelle deutlich zu verringern. Der Grund ist eine chemische Reaktion auf der Oberfläche der Anode. Schwefel bindet an Nickel und bildet stabile Nickel-Schwefel-Verbindungen (Ni-S). Diese Schicht blockiert aktive Oberflächenplätze der Elektrode. Die elektrochemische Reaktion wird dadurch stark gebremst.
Die Folge: Die Brennstoffzelle verliert Leistung oder fällt ganz aus. In der Praxis bedeutet das zusätzlichen Aufwand für die Reinigung des Brennstoffs oder für Regenerationsverfahren.
Rhodium verändert die Oberflächenchemie
Ein Forschungsteam um Chuancheng Duan von der University of Utah hat nun einen Mechanismus entdeckt, der dieses Problem deutlich abschwächen kann. Die Ergebnisse erschienen im Journal of the American Chemical Society.
Die Forschenden untersuchten Anoden, denen kleine Mengen Rhodium (Rh) zugesetzt wurden. Dabei entstehen bimetallische Nickel-Rhodium-Nanopartikel.
„Diese Arbeit begründet eine neue Designstrategie für schwefeltolerante elektrochemische Materialien“, sagte Studienleiter Chuancheng Duan. „Wir zeigen, dass Katalysatoren so konstruiert werden können, dass sie nicht nur Schwefel tolerieren, sondern sich während des Betriebs aktiv selbst reinigen.“
Die Analyse zeigte, dass Rhodium die chemischen Eigenschaften der Oberfläche verändert. Es schwächt die Bindung zwischen Nickel und Schwefel. Gleichzeitig aktiviert es Wassermoleküle aus dem im System vorhandenen Dampf.
Dampf löst den Reinigungsprozess aus
Der entscheidende Schritt ist eine chemische Reaktion auf der Anodenoberfläche. Aktivierte Wassermoleküle bilden reaktive Hydroxylgruppen. Diese reagieren mit gebundenem Schwefel und oxidieren ihn zu Schwefeldioxid (SO₂).
Das Gas verlässt anschließend die Oberfläche der Elektrode. Die zuvor blockierten aktiven Stellen werden wieder frei. Die Anode regeneriert sich somit während des Betriebs selbst.
„Über SOFCs hinaus bieten die Ergebnisse breit übertragbare Erkenntnisse für die Hochtemperaturkatalyse, elektrochemische Energiesysteme und brennstoffflexible Energietechnologien“, erklärte Hauptautor Yue Bao.
Um diesen Prozess nachzuweisen, kombinierte das Team mehrere Messmethoden. Dazu gehörten In-situ-Infrarotspektroskopie bei hohen Temperaturen, thermochemische Analysen und elektrochemische Diagnostik.
Deutlich höhere Leistung trotz Schwefel
Die Auswirkungen des Mechanismus sind messbar. In Experimenten testeten die Forschenden Brennstoffe mit Schwefelwasserstoff-Verunreinigungen unter 100 ppm.
SOFC-Systeme mit den neuen Ni-Rh-Nanokatalysatoren erreichten eine mehr als dreifach höhere Leistungsabgabe als klassische Nickel-Anoden. Gleichzeitig sank der Polarisationswiderstand deutlich.
Besonders interessant: Der Katalysator regenerierte sich unter realistischen Betriebsbedingungen von selbst. Externe Reinigungsschritte oder zusätzliche Entschwefelungsanlagen könnten dadurch weniger wichtig werden.
Bedeutung für zukünftige Energiesysteme
Festoxid-Brennstoffzellen gelten als vielversprechend für dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung, industrielle Energieversorgung oder stationäre Energiesysteme. Ihr Vorteil liegt in der hohen Effizienz und der Möglichkeit, unterschiedliche Brennstoffe zu nutzen.
In der Praxis enthalten jedoch viele dieser Brennstoffe Schwefelspuren. Das betrifft vor allem Erdgas, Biogas oder Synthesegas aus Biomasse.
Ein besseres Verständnis der Oberflächenreaktionen in den Elektroden ist daher entscheidend. Materialien, die Schwefel tolerieren oder sogar aktiv entfernen, könnten die Robustheit solcher Systeme deutlich erhöhen.
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