Direkte Stromerzeugung aus Methylcyclohexan mittels SOFC

Die direkte Erzeugung erfordert weniger Energie als die Dehydrierungsreaktion von MCH.

Japanische Forscher haben erfolgreich Strom direkt aus Methylcyclohexan, einem organischen Hydrid, mithilfe von Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) mit geringerer Energie als herkömmliche katalytische Dehydrierungsreaktionen erzeugt.

Die Stromerzeugung durch Brennstoffzellen, die Wasserstoff nutzen, ist eine der Schlüsseltechnologien für die Verwirklichung einer kohlenstoffarmen Gesellschaft. Es ist reichlich vorhanden und vielseitig einsetzbar und gibt bei der Verwendung als Brennstoff nur Wasser ab.

Für die Verbreitung einer Wasserstoffgesellschaft ist jedoch der Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur ebenso wichtig wie die Entwicklung von Brennstoffzellen. Zu diesem Zweck werden derzeit verschiedene Wasserstoffträger untersucht, darunter Hochdruck-Wasserstoffgas, flüssiger Wasserstoff, Ammoniak, Ameisensäure und organische Hydride.

Insbesondere Methylcyclohexan (MCH), eines der organischen Hydride, soll ein hervorragender Wasserstoffträger sein, der Wasserstoff sicher und effizient transportieren und speichern kann. Bei der Dehydrierung von MCH in Gegenwart eines Katalysators entstehen Wasserstoff und Toluol als Nebenprodukt, und aus diesem Wasserstoff wird dann Strom erzeugt.

Allerdings handelt es sich bei dem Dehydrierungsprozess um eine endotherme Reaktion, und ein unwiederbringlicher Energieverlust sowie die für die Reaktion erforderlichen Anlagen stellen ein Problem dar.

Kürzlich ist es Forschern der Waseda-Universität in Japan gelungen, mithilfe von SOFC Strom direkt aus Methylcyclohexan zu erzeugen und gleichzeitig Toluol zurückzugewinnen, sodass es wiederverwendet werden kann. Diese Forschung soll nicht nur den Energiebedarf senken, sondern auch neue Möglichkeiten für die chemische Synthese mithilfe von Brennstoffzellen eröffnen.

Das Forschungsteam versuchte, in einer Brennstoffzelle zwei Prozesse gleichzeitig durchzuführen: die Dehydrierung aus organischen Hydriden, eine endotherme Reaktion, und die Stromerzeugung, eine exotherme Reaktion. Um dies zu erreichen, verwendeten sie eine anodengestützte Festoxid-Brennstoffzelle, die bei einer höheren Temperatur arbeitete als eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle.

Das Team konnte es bei einer Temperatur betreiben, die keine Pyrolyse organischer Hydride zuließ, und unter Bedingungen, die eine Kohlenstoffablagerung an den Elektroden verhinderten. Sie berichteten, dass das Produktionsverhältnis von Toluol zu Benzol 94:6 betrug, was eine bedeutende Leistung darstellt.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine SOFC erfolgreich Elektronen direkt aus MCH extrahiert und Strom erzeugt, indem sie die Sauerstoffionenleitungsfunktion der SOFC nutzt. Diese Methode zeigt das Potenzial für die Stromerzeugung ohne die Notwendigkeit von Dehydrierungsanlagen und mit weniger Energieaufwand als die herkömmliche katalysatorunterstützte MCH-Dehydrierung.

„Brennstoffzellen wurden als Geräte untersucht und entwickelt, die durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff hocheffizienten, kohlenstofffreien Strom erzeugen. In dieser Studie haben wir gezeigt, dass dieses Gerät zur Steuerung von Dehydrierungsreaktionen organischer Hydride und Sauerstoffsubstitutionsreaktionen aromatischer Ringe eingesetzt werden kann. In Zukunft könnte durch den Einsatz von Brennstoffzellen eine neue synthetische Chemie entstehen“, schließt Professor Akihiko Fukunaga, der die Forschung leitete.

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