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Keramikzelle: Materialsynergie liefert bis zu dreimal so viel Wasserstoff
Mehr Wasserstoff aus Wasserdampf: In einer keramischen Elektrolysezelle steigert die abgestimmte Kombination von Membran und Elektrode die Leistung im Labor auf das Zwei- bis Dreifache. Entscheidend sind winzige Oxidpartikel, die sich beim Erhitzen von selbst auf der Elektrode bilden. Eine andere Variante des Materials hielt einen 500-stündigen Dauertest mit hoher Faraday-Effizienz durch.
Groningen (Niederlande). Wasserstoff kann fossile Rohstoffe in chemischen Prozessen ersetzen und als Speicher für erneuerbaren Strom dienen. Eine Möglichkeit zur Herstellung ist die Elektrolyse, bei der Wasser mithilfe elektrischer Energie zerlegt wird. Besonders interessant sind protonenleitende Keramikzellen: Sie arbeiten mit Wasserdampf bei 400 bis 650 Grad Celsius und könnten so mit industrieller Abwärme gekoppelt werden.
Die Technik nutzt eine feste keramische Schicht, durch die vor allem positiv geladene Wasserstoffionen, also Protonen, wandern. Auf der Wasserdampfseite entstehen diese Ionen bei der elektrochemischen Umsetzung des Wassers, während zugleich Sauerstoff freigesetzt wird. Auf der Gegenseite verbinden sich die Protonen mit Elektronen zu Wasserstoffgas. Wie gut die Zelle funktioniert, hängt daher auch von der Reaktionsgeschwindigkeit an der Sauerstoffelektrode ab.
Forscher der University of Groningen (UG) um Prof. Vasileios Kyriakou haben nun untersucht, wie sich die Materialien von Elektrode und keramischem Elektrolyten gegenseitig beeinflussen. Dafür kombinierten sie verschiedene Membranmaterialien mit Elektroden aus einer praseodymhaltigen Perowskit-Keramik, deren Eigenschaften sie unter anderem durch Calciumzugabe und eine Säurebehandlung veränderten.
Beim Erhitzen der zusammengesetzten Zellen auf 900 bis 1.000 Grad Celsius bildeten sich an der Elektrodenoberfläche etwa zehn Nanometer große Partikel aus Praseodymoxid. Anders als nachträglich aufgetragene Katalysatoren entstanden sie direkt aus dem Kristallgitter und blieben darin verankert. Die Forscher sprechen von Exsolution, also der Ausscheidung einzelner Bestandteile eines Festkörpers an dessen Oberfläche.
Ob die Partikel entstanden, hing entscheidend vom Material der benachbarten Keramikschicht ab. Je höher deren Ceriumanteil war, desto mehr Praseodymoxidpartikel zählten die Forscher. Bei ceriumfreien Elektrolyten beobachteten sie dagegen keine. Elementanalysen fanden zudem Hinweise darauf, dass Cerium aus dem Elektrolyten in die Elektrode wandert. Dass dieser Austausch die Ausscheidung auslöst, ist eine plausible, aber noch nicht abschließend belegte Erklärung.
„Wir haben ein bislang übersehenes Zusammenspiel zwischen Membran- und Elektrodenmaterialien entdeckt“, erklärt Prof. Vasileios Kyriakou.
Die Oberfläche lässt sich zusätzlich gezielt verändern. Calcium erhöht die Zahl der Sauerstofffehlstellen im Elektrodengitter. Solche Lücken begünstigen die Aufnahme von Wasserdampf und den Sauerstoffaustausch. Messungen und atomare Modellrechnungen stützen diese Erklärung.
Die calciumhaltige Elektrode erreichte bei 650 Grad Celsius und 1,3 Volt eine Stromdichte von 2,91 Ampere pro Quadratzentimeter. Die unbehandelte Ausgangselektrode kam unter vergleichbaren Bedingungen auf rund 0,99 Ampere. Über den untersuchten Temperaturbereich ergaben sich laut Studie ungefähr zwei- bis dreimal höhere Stromdichten, die bei ähnlicher Faraday-Effizienz eine entsprechend höhere Wasserstoffbildungsrate ermöglichen.
Das bedeutet allerdings nicht, dass die größere Wasserstoffmenge bei unverändertem Stromverbrauch entsteht. Bei gleicher Spannung führt eine höhere Stromdichte auch zu einer größeren elektrischen Leistungsaufnahme. Aus dem Vergleich der Laborzellen lässt sich deshalb noch kein halbierter Energiebedarf pro Kilogramm Wasserstoff ableiten.