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Im Fokus bei der CO₂-Reduzierung stehen 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 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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.“

Industrielle Anwendung noch in frühem Stadium

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 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 Wissenschaft des Fraunhofer UMSICHT, der RUB 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 Ulf-Peter Apfel. „Darüber hinaus soll unsere Arbeit als Ausgangspunkt dienen, um einen Leitfaden für die Betriebsparameter der Elektrolyse in der Gasphase zu erstellen.“

Wassermanagement als Schlüsselparameter

Konkret konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler durch eine schrittweise Optimierung eines Elektrolyseurs die Stabilität bis zu zehn Stunden bei 3 Volt und 300 Milliampere pro Quadratzentimeter um den Faktor drei verbessern. Die faradaysche Effizienz für CO nach zwei Stunden Elektrolyse wurde von 14 Prozent auf über 60 Prozent 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.