News: Brennstoffzellen weiter auf dem Vormarsch
Die Brennstoffzellen-Forschung steckt längst nicht mehr in den Kinderschuhen. Damit sie sich jedoch auf breiter Basis durchsetzen kann, muss sie noch einige Hürden überwinden. Eine davon scheint jetzt genommen zu sein.
© James Dumesic (Ausschnitt)
Sieben Uhr morgens im Berufsverkehr: Autolawinen wälzen sich im Schneckentempo durch die Straßen. Die Motoren dröhnen, die Luft ist zum Schneiden und lässt die leidgeplagten Autofahrer (und Anwohner) alle Fenster schließen – und von einer besseren Welt träumen. Eine Welt, in der zum Beispiel Autos, die mit Brennstoffzellen betrieben werden, leise durch die Straßen surren, ohne dabei die Luft zu verpesten.
Das Prinzip dieser Brennstoffzellen ist ganz einfach: Die Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoff erzeugt elektrischen Strom, mit dem dann ein Motor betrieben wird. Und statt giftiger Gase tropft nur Wasser aus der Brennstoffzelle.
Diese neue Technologie ist groß im Kommen. Aber erst wenn das lästige "Nachtanken" von Wasserstoff entfällt, wird sich dieses Konzept auch auf breiter Basis durchsetzen. Aus diesem Grund arbeiten Techniker und Wissenschaftler an transportablen Wasserstofferzeugern, die direkt in die Autos eingebaut werden könnten.
Hierbei ergibt sich jedoch ein Problem: Der Wasserstoff, der nach den üblichen Verfahren hergestellt wird, enthält größere Mengen an Kohlenmonoxid (CO). Dieses Gas beeinträchtigt aber die Funktion der Brennstoffzelle und kann nur durch mehrere aufwändige Verfahrensschritte entfernt werden. Deshalb suchten Rupali Davda und James Dumesic von der University of Wisconsin nach einem Verfahren, mit dem Wasserstoff mit geringem CO-Anteil hergestellt werden kann.
Als Ausgangsstoffe wählten die Forscher Kohlenhydrate, wie Ethylenglycol, die aus Biomasse, also aus nachwachsenden Rohstoffen, gewonnen werden können. Diese Kohlenhydrate spaltete ein katalytischer Prozess bei etwa 225 Grad Celsius unter Druck in flüssigem Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Kohlenmonoxid konnte anschließend in einem weiteren Prozess mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und wiederum Wasserstoff umgesetzt werden – eine Reaktion, die als Wassergas-Shift bezeichnet wird. Da beide Reaktionen im gleichen vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich ablaufen, konnten sie gemeinsam in einem Reaktor stattfinden – ein besonderer Vorteil für transportable Wasserstoff-Erzeuger.
Beim ersten Prozess, dem Reforming, entstanden Kohlenmonoxid und Wasserstoff, also gasförmige Produkte, die in der flüssigen Phase Gasblasen bildeten. Innerhalb dieser Blasen fand anschließend der Wassergas-Shift statt. Als Gleichgewichtsreaktion wurden die Ausgangsstoffe jedoch nicht vollständig zu Produkten umgesetzt, sondern es stellte sich ein bestimmtes Mengenverhältnis ein. Um die Kohlenmonoxid-Menge zu minimieren, mussten die Forscher die Bedingungen in den Blasen so einstellen, dass das Gleichgewicht möglichst weit auf die Seite der Produkte verschoben wurde. Das gelang ihnen, indem sie die Menge an Wasserdampf in den Blasen maximierten.
Unter diesen Bedingungen konnten sich allerdings wieder die Ausgangsstoffe für die erste Reaktion, den Reforming-Prozess, zersetzen. Um auch noch dieses Problem zu lösen, griffen Davda und Dumesic zu einem Kniff: Sie teilten den Reaktor in zwei Zonen. In der unteren fand das Reforming statt, es entstanden Gasblasen mit relativ wenig Wasserdampf, die aufstiegen und dann die obere Zone erreichten. In dieser "Shift-Zone" erhöhten die Wissenschaftler die Temperatur um etwa 10 Grad Celsius. Dadurch verdampfte eine große Menge Wasser, sodass der Wassergas-Shift unter optimalen Bedingungen stattfinden und die Kohlenmonoxid-Menge auf Brennstoffzellen-taugliche Levels gesenkt werden konnte.
Auf dem Gebiet der Brennstoffzellenforschung tut sich was. Es gibt also Anlass zu optimistischen Träumereien – rosige Aussichten für die Smog-geplagten Großstadtbewohner.
Das Prinzip dieser Brennstoffzellen ist ganz einfach: Die Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoff erzeugt elektrischen Strom, mit dem dann ein Motor betrieben wird. Und statt giftiger Gase tropft nur Wasser aus der Brennstoffzelle.
Diese neue Technologie ist groß im Kommen. Aber erst wenn das lästige "Nachtanken" von Wasserstoff entfällt, wird sich dieses Konzept auch auf breiter Basis durchsetzen. Aus diesem Grund arbeiten Techniker und Wissenschaftler an transportablen Wasserstofferzeugern, die direkt in die Autos eingebaut werden könnten.
Hierbei ergibt sich jedoch ein Problem: Der Wasserstoff, der nach den üblichen Verfahren hergestellt wird, enthält größere Mengen an Kohlenmonoxid (CO). Dieses Gas beeinträchtigt aber die Funktion der Brennstoffzelle und kann nur durch mehrere aufwändige Verfahrensschritte entfernt werden. Deshalb suchten Rupali Davda und James Dumesic von der University of Wisconsin nach einem Verfahren, mit dem Wasserstoff mit geringem CO-Anteil hergestellt werden kann.
Als Ausgangsstoffe wählten die Forscher Kohlenhydrate, wie Ethylenglycol, die aus Biomasse, also aus nachwachsenden Rohstoffen, gewonnen werden können. Diese Kohlenhydrate spaltete ein katalytischer Prozess bei etwa 225 Grad Celsius unter Druck in flüssigem Wasser zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Das Kohlenmonoxid konnte anschließend in einem weiteren Prozess mit Wasserdampf zu Kohlendioxid und wiederum Wasserstoff umgesetzt werden – eine Reaktion, die als Wassergas-Shift bezeichnet wird. Da beide Reaktionen im gleichen vergleichsweise niedrigen Temperaturbereich ablaufen, konnten sie gemeinsam in einem Reaktor stattfinden – ein besonderer Vorteil für transportable Wasserstoff-Erzeuger.
Beim ersten Prozess, dem Reforming, entstanden Kohlenmonoxid und Wasserstoff, also gasförmige Produkte, die in der flüssigen Phase Gasblasen bildeten. Innerhalb dieser Blasen fand anschließend der Wassergas-Shift statt. Als Gleichgewichtsreaktion wurden die Ausgangsstoffe jedoch nicht vollständig zu Produkten umgesetzt, sondern es stellte sich ein bestimmtes Mengenverhältnis ein. Um die Kohlenmonoxid-Menge zu minimieren, mussten die Forscher die Bedingungen in den Blasen so einstellen, dass das Gleichgewicht möglichst weit auf die Seite der Produkte verschoben wurde. Das gelang ihnen, indem sie die Menge an Wasserdampf in den Blasen maximierten.
Unter diesen Bedingungen konnten sich allerdings wieder die Ausgangsstoffe für die erste Reaktion, den Reforming-Prozess, zersetzen. Um auch noch dieses Problem zu lösen, griffen Davda und Dumesic zu einem Kniff: Sie teilten den Reaktor in zwei Zonen. In der unteren fand das Reforming statt, es entstanden Gasblasen mit relativ wenig Wasserdampf, die aufstiegen und dann die obere Zone erreichten. In dieser "Shift-Zone" erhöhten die Wissenschaftler die Temperatur um etwa 10 Grad Celsius. Dadurch verdampfte eine große Menge Wasser, sodass der Wassergas-Shift unter optimalen Bedingungen stattfinden und die Kohlenmonoxid-Menge auf Brennstoffzellen-taugliche Levels gesenkt werden konnte.
Auf dem Gebiet der Brennstoffzellenforschung tut sich was. Es gibt also Anlass zu optimistischen Träumereien – rosige Aussichten für die Smog-geplagten Großstadtbewohner.
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