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Energietechnik: Brennstoffzelle reinigt sich selbst

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Es muss nicht immer Wasserstoff sein – Brennstoffzellen kann man auch mit anderen chemischen Verbindungen betreiben, zum Beispiel energiereichen Kohlenstoffverbindungen wie Ethanol. Allerdings leiden die besten dazu verwendeten oxidkeramischen Brennstoffzellen (solid-oxide fuel cells, SOFC) darunter, dass sich auf ihren aktiven Oberflächen Ruß ablagert und sie unwirksam macht. Eine Lösung für dieses Problem bieten jetzt US-Forscher um Meilin Liu vom Georgia Institute of Technology an: Sie haben einen Weg gefunden, den entstehenden Kohlenstoff kontinuierlich abreagieren zu lassen.

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Anoden-Reinigung | Bariumoxid (links) zersetzt Wasser, das wiederum mit Kohlenstoff auf der Anodenoberfläche reagiert und diese so säubert.
Die leistungsstärksten Brennstoffzellen oxidieren den Brennstoff an einer Anode mit yttriumstabilisiertem Zirkon. Diese Zellen verbrennen nahezu alle kohlenstoffreichen Gase, darunter nicht nur Kohlenwasserstoffe, sondern auch kohlenmonoxidhaltige Mischungen aus der Pyrolyse organischer Abfälle. Der entstehende Kohlenstoff verhindert jedoch, dass Elektronen über die Oberfläche ausgetauscht werden, und macht den Prozess ineffektiv. Bariumoxid lässt die Verschmutzung allerdings sofort wieder von der Oberfläche verschwinden, wie die Wissenschaftler nun herausfanden. Das Team um Liu schied aus der Gasphase Bariumoxid auf der leitenden Nickeloberfläche der Anode ab, das sich zu nanometergroßen Inseln formierte.

Die so veränderte Brennstoffzelle erreichte mit Propan als Brennstoff eine Leistungsdichte von 0,88 Watt pro Quadratzentimeter, nur etwa zehn Prozent geringer als in einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle unter gleichen Bedingungen. Während eine unbehandelte Brennstoffzelle gleichen Typs binnen weniger Stunden rapide an Leistung verlor, lieferte die Testzelle der Forscher für mehr als 100 Stunden einen konstanten Strom.

Die Inseln aus Bariumoxid nehmen große Mengen Wasser auf, wie Messungen zeigen. Computersimulationen möglicher Reaktionspfade legen nahe, dass dieses Wasser an der Oberfläche in H und OH zerfällt, wobei Letzteres mit dem Kohlenstoff reagiert. Als Endprodukt mehrerer Reaktionsschritte entstehen Wasser und Kohlendioxid, die sich von der Oberfläche lösen. Die Forscher vermuten, dass sich diese und vergleichbare Reaktionen durch Zusätze im Bariumoxid weiter verbessern lassen, so dass dieses Verfahren zukünftige Brennstoffzellen weniger verwundbar für Verschmutzung ihrer Anodenoberflächen macht. (lf)
25. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25. KW 2011

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  • Quellen
Nature Communications 10.1038/ncomms1359, 2011

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