Bahnbrechende Technologie zur Abscheidung von 99 % des CO2 aus der Luft

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Kurzschluss mit großer Wirkung

Ingenieure der University of Delaware haben einen Weg gefunden, mit einem neuartigen, mit Wasserstoff betriebenen elektrochemischen System 99 % des Kohlendioxids effektiv aus der Luft zu entfernen – ein bedeutender Fortschritt für die Kohlendioxidabscheidung; der Erfolg könnte umweltfreundlichere Brennstoffzellen der Marktreife näher bringen. Das neue Verfahren wurde (bereits im Februar 2022) in nature energy präsentiert.

Professor Yushan Yan, Inhaber des Henry Belin du Pont-Lehrstuhls für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Universität von Delaware, 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 Kohlendioxid macht es einer HEM-Brennstoffzelle schwer, zu atmen. Dieser Mangel verringert die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle schnell um bis zu 20 %, so dass die Brennstoffzelle nicht besser ist als ein Benzinmotor. Yans Forschungsgruppe ist seit über 15 Jahren auf der Suche nach einer Lösung für dieses Kohlendioxid-Problem.

Schon vor einiger Zeit 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 abzuscheiden“, sagt Brian Setzler, Assistenzprofessor für Forschung in Chemie- und Biomolekulartechnik und Mitautor der Arbeit. Das 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.

99 % des Kohlendioxids aus der Luft in einem Durchgang abscheiden

„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. Bei diesem Ansatz wurde das Gerät intern kurzgeschlossen. „Es ist riskant, aber wir haben es geschafft, diese kurzgeschlossene Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu steuern. Und durch die Verwendung dieser internen, elektrisch kurzgeschlossenen Membran konnten wir die sperrigen Komponenten wie Bipolarplatten, Stromkollektoren oder elektrische Drähte, die normalerweise in einem Brennstoffzellenstapel zu finden sind, loswerden“, so Lin Shi, Doktorand in der Gruppe von Yan und Hauptautor der Arbeit.

Nun verfügte das Forschungsteam über ein elektrochemisches Gerät, das wie eine normale Filtermembran zur Abscheidung 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 hatten 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.

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