Keramikzelle verdoppelt die saubere Wasserstoffausbeute aus Industriedampf

Wasserstoff aus Dampf in Industrieanlagen gewinnen

Der meiste industrielle Wasserstoff wird derzeit durch Reformierung von Erdgas erzeugt, ein Verfahren, bei dem große Mengen Kohlendioxid freigesetzt werden. Chemieanlagen benötigen erhebliche Mengen des Gases, um Kraftstoffe zu raffinieren, Düngemittel zu synthetisieren und Kunststoffe herzustellen. Herkömmliche Elektrolyseure für flüssiges Wasser benötigen viel Strom, um flüssiges Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen – eine energieintensive Hürde für die industrielle Nachhaltigkeit.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben Chemieingenieure der Universität Groningen eine Protonic Ceramic Electrolyzer Cell (PCEC) entwickelt, eine Erfindung, über die Interesting Engineering berichtet. Anders als herkömmliche Flüssigsysteme verarbeiten PCECs Wasserdampf bei mittleren Temperaturen zwischen 400 °C und 650 °C und passen damit zu den thermischen Abgasbedingungen, die in Chemieanlagen ohnehin entstehen.

„Wir haben eine bisher übersehene Synergie zwischen Membran- und Elektrodenmaterialien entdeckt. Unsere Forschung hatte zunächst eine andere Richtung, aber unsere ersten Ergebnisse ließen uns an einen völlig neuen Weg denken.“

— Dr. Vassilis Kyriakou, leitender Forscher an der Universität Groningen

Wie die keramische Membran reinen Wasserstoff abtrennt

Der Kern der PCEC beruht auf einer ionenselektiven keramischen Membran. Wenn Dampf in die Zelle gelangt und auf elektrischen Strom trifft, zerfällt er in Sauerstoff und positiv geladene Wasserstoffionen, sogenannte Protonen. Da nur Wasserstoffprotonen klein genug sind, um die Poren des Keramikmaterials zu durchqueren, bleiben andere Elemente auf der gegenüberliegenden Seite der Barriere zurück.

Sobald die Protonen die Membran passieren, ermöglicht eine entgegengesetzte negative Ladung ihnen, Elektronen aufzunehmen und sich zu molekularem Wasserstoff (H2) zu rekombinieren. Laut Interesting Engineering isoliert diese selektive Wanderung den Wasserstoff vollständig von anderen Gasen. Dadurch entfallen bei dem Gerät die teuren Reinigungsschritte, die herkömmliche Elektrolyseure erfordern.

Eine selbstassemblierende Perowskit-Elektrode

Ein wiederkehrender technischer Engpass beim PCEC-Design war die Suche nach einer Elektrode, die rauen Hochtemperaturbedingungen standhält, ohne an katalytischer Geschwindigkeit zu verlieren. Ein Forschungsteam unter der Leitung des Erfinders Dr. Vassilis Kyriakou löste dies durch die Entwicklung einer selbstassemblierenden Elektrode auf Basis einer Perowskit-Oxid-Matrix.

Als die Forscher die Anordnung in Umgebungsluft erhitzten, wanderten Ionen über die Grenzfläche, die Membran und Elektrode verbindet. Diese spontane Bewegung ließ Praseodymoxid-Nanopartikel auf der Oberfläche sprießen. Um die Effizienz zu steigern, unterzog das Team die Oberfläche einer Säurewäsche, wodurch sich die Zahl der aktiven Katalysatorstellen im Material vervielfachte.

Effizienzgewinne und künftiger Einsatz

Die daraus entstandene elektrochemische Innovation zeigte in Labortests eine bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit. Die modifizierte Zelle absolvierte mehr als 500 Stunden Dauerbetrieb, ohne dass ein messbarer Verlust der Betriebsstabilität auftrat, so Interesting Engineering.

Im Test wandelte das Gerät mehr als 95 Prozent des zugeführten elektrischen Stroms direkt in Wasserstoff um und verdoppelte damit die Produktionsleistung früherer Keramikdesigns. Durch die direkte Integration mit industrieller Abwärme liefert das Design ein Betriebsmodell für industrielle Power-to-X-Prozesse, die die Erdgasreformierung ablösen wollen, und eröffnet neue Wege für Patentanmeldungen und die Kommerzialisierung von Clean-Tech.

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