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Dies ist ein bedeutender Fortschritt f\u00fcr die Kohlendioxidabscheidung und k\u00f6nnte umweltfreundlichere Brennstoffzellen n\u00e4her an den Markt bringen.<\/p>\n\n\n\n
Das Forscherteam unter der Leitung von UD-Professor Yushan Yan berichtete am Donnerstag, 3. Februar, in Nature Energy \u00fcber seine Methode.<\/p>\n\n\n\n
Bahnbrechende Technologie f\u00fcr die Effizienz von Brennstoffzellen<\/h3>\n\n\n\n
Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Brennstoffen direkt in Elektrizit\u00e4t um. Sie k\u00f6nnen im Verkehrswesen z. B. f\u00fcr Hybrid- oder Null-Emissions-Fahrzeuge eingesetzt werden.<\/p>\n\n\n\n
Yan, Inhaber des Henry Belin du Pont-Lehrstuhls f\u00fcr Chemie- und Biomolekulartechnik, arbeitet seit einiger Zeit an der Verbesserung von Hydroxid-Austauschmembran-Brennstoffzellen (hydroxide exchange membrane, HEM), einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Alternative zu den herk\u00f6mmlichen, heute verwendeten s\u00e4urebasierten Brennstoffzellen.<\/p>\n\n\n\n
HEM-Brennstoffzellen haben jedoch ein Manko, das sie bisher von der Stra\u00dfe ferngehalten hat: Sie reagieren extrem empfindlich auf Kohlendioxid in der Luft. Das Kohlendioxid macht es einer HEM-Brennstoffzelle schwer, zu atmen.<\/p>\n\n\n\n
Dieser Defekt verringert die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle schnell um bis zu 20%, so dass die Brennstoffzelle nicht besser als ein Benzinmotor ist. Yans Forschungsgruppe hat \u00fcber 15 Jahre lang nach einer L\u00f6sung f\u00fcr dieses Kohlendioxid-Problem gesucht.<\/p>\n\n\n\n
Vor ein paar Jahren erkannten die Forscher, dass dieser Nachteil tats\u00e4chlich eine L\u00f6sung sein k\u00f6nnte – f\u00fcr die Entfernung von Kohlendioxid.<\/p>\n\n\n\n
“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 f\u00fcr Forschung in Chemie- und Biomolekulartechnik und Mitautor der Arbeit.<\/p>\n\n\n\n
Dies ist zwar nicht gut f\u00fcr die Brennstoffzelle, aber das Team wusste, dass es diesen eingebauten “Selbstreinigungsprozess” in einem separaten Ger\u00e4t vor dem Brennstoffzellenstapel nutzen k\u00f6nnte, um ihn in einen Kohlendioxidabscheider zu verwandeln.<\/p>\n\n\n\n
“Es stellte sich heraus, dass unser Ansatz sehr effektiv ist. Wir k\u00f6nnen 99% des Kohlendioxids aus der Luft in einem Durchgang abscheiden, wenn wir das richtige Design und die richtige Konfiguration haben”, so Yan.<\/p>\n\n\n\n
Und wie haben sie das geschafft?<\/h3>\n\n\n\n
Sie haben einen Weg gefunden, die Stromquelle f\u00fcr die elektrochemische Technologie in die Trennmembran einzubetten. Der Ansatz bestand darin, das Ger\u00e4t intern kurzzuschlie\u00dfen.<\/p>\n\n\n\n
“Es ist riskant, aber es ist uns gelungen, diese kurzgeschlossene Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu steuern. Und durch die Verwendung dieser internen, elektrisch kurzgeschlossenen Membran konnten wir auf die sperrigen Komponenten wie Bipolarplatten, Stromkollektoren oder elektrische Dr\u00e4hte verzichten, die normalerweise in einem Brennstoffzellenstapel zu finden sind”, so Lin Shi, Doktorand in der Yan-Gruppe und Hauptautor der Arbeit.<\/p>\n\n\n\n
Nun verf\u00fcgte das Forschungsteam \u00fcber ein elektrochemisches Ger\u00e4t, das wie eine normale Filtermembran zur Abscheidung von Gasen aussah, aber die F\u00e4higkeit besa\u00df, kontinuierlich winzige Mengen Kohlendioxid aus der Luft aufzunehmen, wie ein komplizierteres elektrochemisches System.<\/p>\n\n\n\n
Indem die Dr\u00e4hte des Ger\u00e4ts in die Membran eingebettet wurden, wurde eine Abk\u00fcrzung geschaffen, die es den Kohlendioxidpartikeln erleichterte, von einer Seite zur anderen zu gelangen. Au\u00dferdem konnte das Team so ein kompaktes, spiralf\u00f6rmiges Modul mit einer gro\u00dfen Oberfl\u00e4che in einem kleinen Volumen konstruieren. Mit anderen Worten, sie haben jetzt ein kleineres Geh\u00e4use, das gr\u00f6\u00dfere Luftmengen auf einmal filtern kann, was es f\u00fcr Brennstoffzellenanwendungen sowohl effektiv als auch kosteng\u00fcnstig macht. Weniger Komponenten bedeuten geringere Kosten und, was noch wichtiger ist, eine M\u00f6glichkeit zur einfachen Vergr\u00f6\u00dferung f\u00fcr den Markt.<\/p>\n\n\n\n
Die Ergebnisse des Forschungsteams zeigten, dass eine elektrochemische Zelle mit einer Gr\u00f6\u00dfe von 2 Zoll mal 2 Zoll kontinuierlich etwa 99% des Kohlendioxids aus der Luft entfernen kann, die mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Litern pro Minute str\u00f6mt. Ein erster Prototyp eines spiralf\u00f6rmigen Ger\u00e4ts von der Gr\u00f6\u00dfe einer 12-Unzen-Limonendose ist in der Lage, 10 Liter Luft pro Minute zu filtern und 98% des Kohlendioxids herauszuschrubben, so die Forscher.<\/p>\n\n\n\n
Im Ma\u00dfstab f\u00fcr eine Automobilanwendung h\u00e4tte das Ger\u00e4t etwa die Gr\u00f6\u00dfe einer Gallone Milch, sagte Setzer, aber das Ger\u00e4t k\u00f6nnte auch anderswo zur Entfernung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Die von UD patentierte Technologie k\u00f6nnte beispielsweise leichtere und effizientere Ger\u00e4te zur Entfernung von Kohlendioxid in Raumfahrzeugen oder U-Booten erm\u00f6glichen, wo eine kontinuierliche Filtration von entscheidender Bedeutung ist.<\/p>\n\n\n\n
“Wir haben einige Ideen f\u00fcr einen langfristigen Fahrplan, der uns wirklich helfen kann, dieses Ziel zu erreichen”, so Setzler.<\/p>\n\n\n\n
Da das elektrochemische System mit Wasserstoff betrieben wird, k\u00f6nnte es laut Shi im Zuge der Entwicklung der Wasserstoffwirtschaft auch in Flugzeugen und Geb\u00e4uden eingesetzt werden, wo die Umluft als Energiesparma\u00dfnahme erw\u00fcnscht ist. Im Anschluss an die Verteidigung seiner Dissertation wird Shi noch in diesem Monat zu Versogen wechseln, einem von Yan gegr\u00fcndeten UD-Spinoff-Unternehmen, um die Forschung im Bereich des nachhaltigen gr\u00fcnen Wasserstoffs weiter voranzutreiben.<\/p>\n\n\n\n
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