Kurzschluss für große Wirkung

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Hocheffiziente Methode zur Entfernung von CO2 aus der Luft

Ingenieure der University of Delaware haben einen Weg gefunden, wie 99 % des Kohlendioxids in der Luft mithilfe eines neuartigen, mit Wasserstoff betriebenen, elektrochemischen Systems effektiv aus der Luft abgeschieden werden können – schreibt Karen B. Roberts am 03.02.2022 auf der UD-Internetseite. Dieser „bedeutende Fortschritt für die Kohlendioxidabscheidung könnte umweltfreundlichere Brennstoffzellen näher an den Markt bringen“. Das Forscherteam unter der Leitung von UD-Professor Yushan Yan berichtete am 03.02.2022 in Nature Energy über seine Methode.

Wasserstoff-Brennstoffzellen-Auto – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Game-Changer-Technologie für Effizienz von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Brennstoffen direkt in Elektrizität um. Sie können im Verkehrswesen z. B. für Hybrid- oder Null-Emissions-Fahrzeuge eingesetzt werden. Yan, Inhaber des Henry Belin du Pont-Lehrstuhls für Chemie- und Biomolekulartechnik, arbeitet seit einiger Zeit an der Verbesserung von Hydroxid-Austauschmembran-Brennstoffzellen (HEM), einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Alternative zu den herkömmlichen, heute verwendeten säurebasierten Brennstoffzellen. HEM-Brennstoffzellen haben jedoch ein Manko, das sie bisher von der Straße ferngehalten hat: Sie reagieren extrem empfindlich auf Kohlendioxid in der Luft. Das CO2 macht es einer HEM-Brennstoffzelle schwer, zu atmen.

Dieser Defekt reduziert die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle schnell um 20 %, so dass die Brennstoffzelle nicht besser ist als ein Benzinmotor. Yans Forschungsgruppe ist seit mehr als 15 Jahren auf der Suche nach einer Lösung für dieses CO2-Problem.

Schematische Darstellung der Spirale

Das spiralförmig gewickelte Modul des UD-Forschungsteams nimmt Wasserstoff und Luft durch zwei getrennte Einlässe auf (links dargestellt) und gibt Kohlendioxid und kohlendioxidfreie Luft ab (rechts dargestellt), nachdem es zwei großflächige, katalysatorbeschichtete Kurzschlussmembranen passiert hat. Das eingefügte Bild rechts zeigt teilweise, wie sich die Moleküle innerhalb der kurzgeschlossenen Membran bewegen.

Vor ein paar Jahren erkannten die Forscher, dass dieser Nachteil tatsächlich eine Lösung sein könnte – für die Entfernung von Kohlendioxid. „Als wir den Mechanismus untersuchten, stellten wir fest, dass die Brennstoffzellen so gut wie jedes bisschen Kohlendioxid einfangen, das in sie hineingelangt, und dass sie wirklich gut darin sind, es auf die andere Seite zu befördern“, sagt Brian Setzler, Assistenzprofessor für Forschung in Chemie- und Biomolekulartechnik und Mitautor der Studie.

Dies ist zwar nicht gut für die Brennstoffzelle, aber das Team wusste, dass es diesen eingebauten „Selbstreinigungsprozess“ in einem separaten Gerät vor dem Brennstoffzellenstapel nutzen könnte, um ihn in einen Kohlendioxidabscheider zu verwandeln. „Es stellte sich heraus, dass unser Ansatz sehr effektiv ist. Wir können 99 % des Kohlendioxids aus der Luft in einem Durchgang abscheiden, wenn wir das richtige Design und die richtige Konfiguration haben“, so Yan.

Und wie haben sie das geschafft?

Sie haben einen Weg gefunden, die Stromquelle für die elektrochemische Technologie in die Trennmembran einzubetten. Der Ansatz bestand darin, das Gerät intern kurzzuschließen. „Es ist riskant, aber es ist uns gelungen, diese kurzgeschlossene Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu steuern. Und durch die Verwendung dieser internen, elektrisch kurzgeschlossenen Membran konnten wir auf die sperrigen Komponenten wie Bipolarplatten, Stromkollektoren oder elektrische Drähte verzichten, die normalerweise in einem Brennstoffzellenstapel zu finden sind“, so Lin Shi, Doktorand in der Yan-Gruppe und Hauptautor der Arbeit.

Nun verfügte das Forschungsteam über ein elektrochemisches Gerät, das wie eine normale Filtermembran zur Abtrennung von Gasen aussah, aber die Fähigkeit besaß, kontinuierlich winzige Mengen Kohlendioxid aus der Luft aufzunehmen, wie ein komplizierteres elektrochemisches System.

Indem die Drähte des Geräts in die Membran eingebettet wurden, wurde eine Abkürzung geschaffen, die es den Kohlendioxidpartikeln erleichterte, von einer Seite zur anderen zu gelangen. Außerdem konnte das Team so ein kompaktes, spiralförmiges Modul mit einer großen Oberfläche in einem kleinen Volumen konstruieren. Mit anderen Worten, sie haben jetzt ein kleineres Gehäuse, das größere Luftmengen auf einmal filtern kann, was es sowohl effektiv als auch kostengünstig für Brennstoffzellenanwendungen macht. Gleichzeitig bedeuten weniger Komponenten geringere Kosten und, was noch wichtiger ist, eine Möglichkeit zur einfachen Vergrößerung für den Markt.

Von der Yan-Gruppe entwickeltes elektrochemisches System

Dieses Bild zeigt das von der Yan-Gruppe entwickelte elektrochemische System. Im Inneren des hervorgehobenen zylindrischen Metallgehäuses befindet sich das neuartige spiralförmig gewickelte Modul des Forschungsteams. Wenn Wasserstoff in das Gerät eingespeist wird, treibt er den Kohlendioxid-Entfernungsprozess an. Die Computersoftware auf dem Laptop zeichnet die Kohlendioxidkonzentration in der Luft auf, nachdem sie das Modul passiert hat.

Die Ergebnisse des Forschungsteams zeigten, dass eine elektrochemische Zelle mit einer Größe von 2 Zoll mal 2 Zoll kontinuierlich etwa 99 % des Kohlendioxids aus der Luft entfernen kann, die mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Litern pro Minute strömt. Ein erster Prototyp eines spiralförmigen Geräts von der Größe einer 12-Unzen-Limonendose ist in der Lage, 10 Liter Luft pro Minute zu filtern und 98 % des Kohlendioxids herauszuschrubben, so die Forscher.

Im Maßstab für eine Automobilanwendung hätte das Gerät ungefähr die Größe einer Gallone Milch, sagte Setzer, aber das Gerät könnte auch anderswo zur Entfernung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Die von UD patentierte Technologie könnte zum Beispiel leichtere, effizientere Kohlendioxid-Entfernungsgeräte in Raumfahrzeugen oder U-Booten ermöglichen, wo eine kontinuierliche Filtration von entscheidender Bedeutung ist.

„Wir haben einige Ideen für einen langfristigen Fahrplan, der uns wirklich helfen kann, dieses Ziel zu erreichen“, so Setzler. Da das elektrochemische System mit Wasserstoff betrieben wird, könnte es laut Shi im Zuge der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft auch in Flugzeugen und Gebäuden eingesetzt werden, wo die Umluft als Energiesparmaßnahme erwünscht ist. Im Anschluss an die Verteidigung seiner Dissertation wird Shi noch in diesem Monat zu Versogen wechseln, einem von Yan gegründeten UD-Spinoff-Unternehmen, um die Forschung im Bereich des nachhaltigen grünen Wasserstoffs weiter voranzutreiben.

Zu den Co-Autoren der Arbeit aus dem Labor von Yan gehören Yun Zhao, Co-Erstautor und wissenschaftlicher Mitarbeiter, der die für die Prüfung des Geräts erforderlichen experimentellen Arbeiten durchführte, Stephanie Matz, eine Doktorandin, die an der Entwicklung und Herstellung des Spiralmoduls beteiligt war, und Shimshon Gottesfeld, ein außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik an der UD. Gottesfeld war leitender Forscher des von der Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) finanzierten Projekts aus dem Jahr 2019, das zu den Ergebnissen führte.

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