(Ilmenau) – Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, die elektro-chemische Energieumwandlung für den Einsatz regenerativer Energien zu verbessern. Die Ergebnisse der Forschungsarbeiten im Institut für Thermo- und Fluiddynamik könnten genutzt werden, um die Erzeugung von Wasserstoff effizienter zu gestalten und bessere Brennstoffzellen zu entwickeln. Das Forschungsprojekt wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft von 2014 bis 2021 mit insgesamt 1,4 Millionen Euro gefördert.
Am Fachgebiet Technische Thermodynamik der TU Ilmenau laufen unter der Leitung von Christian Cierpka Grundlagenuntersuchungen zu neuen Speichertechnologien wie thermischen Energiespeichern und Flüssigmetall-Batterien. Besonders vielversprechend für die Langzeitspeicherung von Energie sei aber die chemische Energiespeicherung. Ziel war es, „die physikalischen Prozesse zu erforschen, die der elektrochemischen Energieumwandlung zugrunde liegen, um so die Effizienz der Technologie und damit die Leistungsfähigkeit künftiger Generationen von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren zu steigern“, erklären die Wissenschaftler. Bei der elektrochemischen Energieumwandlung werde Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten, die als Gasblasen an den Elektroden entstehen. Der so erzeugte Wasserstoff können anschließend in Brennstoffzellen klimaneutral wieder in elektrischen Strom umgewandelt werden.
Ohne Bläschen an den Elektroden mehr Effizienz
Allerdings verringerten die an den Elektroden anhaftenden Gasblasen den Wirkungsgrad des Elektrolyseurs. In Experimenten, die sie gemeinsam mit Wissenschaftlern der TU Dresden, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung IFW Dresden durchführten, wiesen die Forscher in Ilmenau erstmals den Einfluss der sogenannten thermischen Marangoniströmungen auf das Blasenwachstum nach, heißt es einer Mitteilung. Um zu verhindern, dass Blasen, die an den Elektroden anhaften, den Wirkungsgrad der Wasserelektrolyse verringern, erforschten sie außerdem, wie diese Strömungen das Wachstum der Blasen und ihr Ablöseverhalten von den Elektroden beeinflussen. Durch externe „Lorentzkraft-Magnetfelder“ erzeugten sie zusätzlich Kräfte, um die Blasen gezielt von der Elektrodenoberfläche zu lösen. Ergebnis: „In kürzerer Zeit wurde mehr Wasserstoff produziert.“
„Mikrofluidische Brennstoffzelle“ kommt ohne Membran aus
Um die Strömungsvorgänge an den Gasblasen und in einer Brennstoffzelle zu messen, entwickelten die Forscher Messtechniken, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Zentrums für Brennstoffzellen-Technik Duisburg eingesetzt wurden, um das Schnellstartverhalten von Direktmethanol-Brennstoffzellen zu verbessern. Diese könnten beispielsweise in mobilen Geräten anstelle eines Akkus eingesetzt werden. In einem weiteren Teilprojekt entwickelten die Ilmenauer Wissenschaftler den Prototyp einer „mikrofluidischen Brennstoffzelle“. Diese komme „ohne die üblicherweise notwendige teure Membran zur Trennung von Brennstoff und Oxidationsmittel“ aus. So habe man deren Leistung und Brennstoffausbeute steigern können.
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Prototyp einer membranlosen mikrofluidischen Brennstoffzelle bei der elektrochemischen und strömungsmechanischen Charakterisierung auf dem Mikroskop / © TU Ilmenau, Wiebke Rösing
