Brennstoffzellen sind Systeme, die das Potenzial haben, Batterien in Mobiltelefonen, Laptops und Fahrzeugen zu ersetzen. Sie wandeln die Energie, die durch die Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff entsteht, in Elektrizität um. Die sichere Speicherung von Wasserstoff stellt derzeit jedoch eine Herausforderung dar. Eine vielversprechende Option ist die Nutzung einer Infrastruktur, die Wasserstoffgas direkt in der Brennstoffzelle erzeugt.
In solchen Fällen wird Methanol üblicherweise als Rohstoff verwendet. Anstatt beispielsweise Fahrzeuge oder Handys mit Wasserstoff zu betreiben, kann Methanol hinzugefügt und bei Bedarf in Wasserstoff umgewandelt werden. Forscher der Universität des Baskenlandes (UPV/EHU) haben nun ein Gerät entwickelt, um diesen Prozess zu verbessern.
Sie haben eine spezielle Infrastruktur entwickelt: einen Reaktor aus Mikrokanälen. Dieser Mikroreaktor ist hundertmal kleiner als ein herkömmliches Reaktorsystem. Die Reaktorgröße ist für all diese mobilen Geräte entscheidend. „Die Entwicklung eines Reaktors aus Mikrokanälen ist keine leichte Aufgabe“, erklärt Oihane Sanz, Forscherin am Institut für Angewandte Chemie der Universität des Baskenlandes (UPV/EHU). „Es ist unerlässlich, unter anderem die Materialien sorgfältig auszuwählen, die Mikrokanäle präzise zu bearbeiten, das System zusammenzubauen und die katalytische Beschichtung aufzutragen.“.
Wie beobachtet wurde, verbessern diese aus Mikrokanälen bestehenden Reaktoren den Wärmetransfer bei der Umwandlung von Methanol in Wasserstoff. Dadurch wird die Reaktionstemperatur präzise gesteuert, wodurch Hotspots, an denen Kohlenmonoxid (CO) entsteht, minimiert werden. Entsteht CO zusammen mit Wasserstoff, kann es die Brennstoffzelle verunreinigen und deren Funktion beeinträchtigen, was die Energieproduktion unterbricht.
Ein stabiler Katalysator
Ebenso wichtig für einen effizienten Reaktionsablauf sind die Wahl des Katalysators und eine geeignete Platzierungsmethode. „Eine der größten Herausforderungen bei diesen Mikrokanalreaktoren ist das Einbringen des Katalysators in die winzigen Kanäle. Daher war das Ziel dieser Forschung, einen stabilen Katalysator zu entwickeln und ihn optimal in das System zu integrieren“, erklärt Sanz.
Bei der Wasserstofferzeugung aus Methanol werden, wie auch in diesem Fall, Palladium(Pd)-Katalysatoren eingesetzt. Konkret wurde PdZnO verwendet. „Oftmals gehen die Eigenschaften der Katalysatoren verloren, wenn sie in Reaktoren mit Mikrokanälen integriert werden. Mit den in dieser Studie verwendeten Katalysatoren konnten wir den Prozess jedoch nicht nur problemlos durchführen, sondern auch deren Eigenschaften beibehalten“, fügt er hinzu.
Mit der entsprechenden Infrastruktur und dem passenden Katalysator produziert der entwickelte Mikroreaktor 30 % flüssigen Wasserstoff pro Quecksilbersäule; die Methanolumwandlung beträgt 95 %, die Kohlenmonoxid-Umwandlung (CO) weniger als 1 %. „Die Kontrolle der Kohlenmonoxidproduktion ist sehr wichtig, da es die Brennstoffzelle verunreinigen kann“, betont Sanz.
„Es gibt zwar Systeme, die eine größere Menge Wasserstoff (12-50 lH2/hg) produzieren, aber die Methanolumwandlung ist geringer (etwa 80 % und in einigen Fällen sogar nur 4 %), und außerdem entstehen Nebenprodukte“, fügt Sanz hinzu und hebt hervor, wie dieses Design „es uns ermöglicht, einen saubereren, sichereren und kostengünstigeren Prozess zu entwickeln“.
Die Forschungsarbeiten wurden vom Institut für Angewandte Chemie der Fakultät für Chemische Wissenschaften der Universität des Baskenlandes (UPV/EHU) unter der Leitung von Professor Mario Montes durchgeführt. Weitere beteiligte Wissenschaftler waren die Arbeitsgruppe von Professor José Antonio Odriozola (ICMS, Joint Center US-CSIC) an der Universität Sevilla sowie die Arbeitsgruppe von Professor Gurutze Arzamendi und Professor Luis M. Gandia an der Öffentlichen Universität Navarra.
Bibliografische Angaben
FJ Echave, O. Sanz, M. Montes. „Beschichtung von Mikrokanalreaktoren mit PdZnO-Katalysator für die Methanol-Dampfreformierung“ Applied Catalysis A: General: 159 -167 2014.
Quelle: SINC-Agentur
