Wie sich die Performance von Zero-Gap Elektrolyseuren steigern lässt

Das CO2 in unserer Atmosphäre elektrochemisch reduzieren und als Basis für chemische Produkte nutzen – dieses Ziel haben sich zahlreiche Projekte in Industrie und Forschung gesetzt. Im Fokus stehen dabei nicht länger die Entwicklung neuer Katalysatoren und Elektroden, sondern Skalierbarkeit und Optimierung vorhandener elektrolytischer Systeme. Eines dieser Systeme – den sogenannten Zero-Gap Elektrolyseur – haben sich Wissenschaftler*innen des Fraunhofer UMSICHT, der Ruhr-Universität Bochum und der RWTH Aachen genauer angesehen.

Ergebnis: Sie konnten sowohl die Stabilität des Elektrolyseurs als auch den faradayschen Wirkungsgrad für das produzierte CO über längere Zeit verbessern.

»Via Elektrolyse lässt sich CO2 aus Abgasen oder der Atmosphäre in Produkte umwandeln, die für die Chemiebranche sehr wichtig sind – von Kohlenstoffmonoxid über Ameisensäure bis zu Kohlenwasserstoffen und Alkoholen«, erläutert Prof. Dr. Ulf-Peter Apfel von der Ruhr-Universität Bochum und dem Fraunhofer UMSICHT. »Mit dem wachsenden Interesse der Industrie an diesem Prozess hat sich auch der Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit an Elektrolyseuren verschoben: Die Konzentration liegt weniger auf Designs mit flüssigen Elektrolyten als auf Gas-gespeisten Systemen wie den Zero-Gap Elektrolyseuren.« Ihr Vorteil: Sie sind energieeffizienter und gut skalierbar.

Bei Zero-Gap Elektrolyseuren kommt ein Festkörperelektrolyt zum Einsatz: eine Membran, die Ionen austauscht sowie zwischen Kathode und Anode angeordnet ist. Dadurch kann – anders als bei auf Flüssigelektrolyten basierenden Elektrolyseuren – auf einen flüssigen Katholyten verzichtet werden. Stattdessen wird der Kathode befeuchtetes CO2 zugeführt, das die notwendigen Protonen für die CO2-Reduktion liefert. Zudem wird aufgrund des geringen Abstandes zwischen den Elektroden der ohmsche Widerstand der Gesamtzelle minimiert. »All das führt dazu, dass Zero-Gap-Konstruktionen hohe Teilstromdichten sowie eine hohe Prozessstabilität erreichen«, sagt Dr. Kai junge Puring vom Fraunhofer UMSICHT. »Das bedeutet, dass wir mehr CO2 auf einmal umwandeln können und die Elektroden diesen Betrieb auch länger aufrechterhalten.«

Trotz dieser Vorteile befindet sich die industrielle Anwendung Gas-gespeister Elektrolyseure für die CO2-Reduktion noch in einem frühen Stadium. Gerade mit Blick auf Prozessparameter wie Zelltemperatur oder -kompression besteht noch Forschungsbedarf. »Das gilt auch für die Montage der Zellen«, so Dr. junge Puring. »Bislang fehlt es an einer allgemeingültigen Anleitung: Jede Gruppe in Forschung und Industrie, die sich mit Zero-Gap Elektrolyseuren befasst, muss den optimalen Wirkungsgrad der Zelle via Trial-and-Error in Zell- und Elektrolyseurkonstruktion selbständig ermitteln.«

Bei den Themen Zellaufbau und Prozessparameter haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer UMSICHT, der Ruhr-Universität Bochum und der RWTH Aachen angesetzt. Ihr Augenmerk lag insbesondere auf Auswirkungen verschiedener Gaszufuhrorientierungen, der Kompression der Zellkomponenten sowie der Temperatur und der Feuchtigkeit des CO2-Gases auf die Effizienz der CO2-Reduktion. Zielsetzung: »Wir wollen auf Schlüsselfaktoren in Zero-Gap-Systemen hinweisen und so die Entwicklung von Katalysatoren und Zellkonzepten auf reproduzierbarere Weise beschleunigen«, erläutert Prof. Apfel. »Darüber hinaus soll unsere Arbeit als Ausgangspunkt dienen, um einen Leitfaden für die Betriebsparameter der Elektrolyse in der Gasphase zu erstellen.«

Konkret konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durch eine schrittweise Optimierung eines Elektrolyseurs die Stabilität bis zu 10 h bei 3 V und 300 mA cm-2 um den Faktor drei verbessern. Die faradaysche Effizienz für CO nach zwei Stunden Elektrolyse wurde von 14% auf über 60% gesteigert. Dabei war die Steuerung des Wassermanagements ein Schlüsselparameter, da eine hohe Wasserzufuhr zu einer Überflutung der Elektroden führt, während niedrigere Werte die Leistung der Anionenaustauschmembran verringern und die Katalysatorbenetzung reduzieren. Weiterhin zeigte sich, dass einfache Veränderungen wie die Ausrichtung der Elektrolysezelle einen dramatischen Einfluss auf dessen Performance haben.

Den Weg zu diesen Ergebnissen haben die Forschenden im Artikel »Hidden Parameters for the Electrochemical CO2-Reduction in Zero-Gap Electrolyzers« dokumentiert, der im Open-Access-Journal »Cell Report Physical Science« erschienen ist. Nachzulesen unter https://s.fhg.de/rY5.

Originalpublikation:

Hidden parameters for electrochemical carbon dioxide reduction in zero-gap electrolyzers.
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100825

Weitere Informationen:

https://s.fhg.de/j94