Auswirkungen von Überkompression gasdiffundierender Elektroden in alkalischen Zero-Gap-CO2-Elektrolyseuren

Warum das Andrücken sauberer Energiegeräte wichtig ist

Die Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in nützliche Brennstoffe und Chemikalien mit Strom kann helfen, Treibhausgasemissionen zu senken – besonders wenn die Energie aus erneuerbaren Quellen stammt. Viele der vielversprechendsten CO2‑zu‑Kraftstoff‑Geräte sind wie Sandwiches aufgebaut, mit dünnen, porösen Schichten, die fest zusammengedrückt werden müssen. Diese Studie zeigt, dass das zu starke Andrücken einer dieser Schichten – der gasdiffundierenden Elektrode in einem alkalischen CO2‑Elektrolyseur ohne Spalt (zero-gap) – nach hinten losgehen kann: Es verstopft Gaswege, fördert Überflutung und Salzablagerungen und beeinträchtigt letztlich Effizienz und Stabilität. Das Finden des „genau richtigen“ Kompressionsgrads erweist sich als einfacher, aber wirkungsvoller Hebel zur Leistungsverbesserung.

Wie diese Geräte CO2 in Brennstoff verwandeln

Die Arbeit konzentriert sich auf alkalische Zero‑Gap‑CO2‑Elektrolyseure, eine Geräteklasse, bei der befeuchtetes CO2‑Gas auf einer Seite (der Kathode) eintritt und auf der anderen Seite (der Anode) eine Flüssigkeitslösung fließt. Dazwischen liegt eine dünne Membran und jeweils eine poröse gasdiffundierende Elektrode, die Gase, Flüssigkeiten und Elektronen an Katalysatorstellen zusammenführt. An der Kathode wird CO2 vorwiegend zu Kohlenmonoxid (CO) umgewandelt, einem nützlichen Baustein für Brennstoffe und Chemikalien, während Wasserstoffgas (H2) ein unerwünschtes Nebenprodukt ist. Damit das Gerät effizient läuft, muss CO2 das katalytische Zentrum erreichen, die Flüssigkeit darf die Poren nicht überfluten, und Salzkrusten sollten sich nicht im Inneren der Elektrode bilden. Die mechanische Kompression – wie stark das Stapelpaket zusammengepresst ist – verändert direkt die Dicke und Porosität dieser porösen Schicht und damit all diese Transportprozesse.

Wenn festes Andrücken versteckte Blockaden verursacht

Die Forschenden verglichen drei Kompressionsgrade der Kathoden‑GDE: 10 %, 20 % und 30 % Dickenreduktion. Mithilfe schnell aufeinanderfolgender Röntgenaufnahmen an einem Synchrotron beobachteten sie in Echtzeit, wie Flüssigkeit von der Anodenseite, kondensiertes Wasser und ausfallende Salzpartikel sich innerhalb der Kathode verteilten. Bei der höchsten Kompression von 30 % wurden die Poren der Elektrode tortuoser und weniger offen. Röntgen‑Absorptionsdaten zeigten, dass insbesondere nahe der Katalysatorzone und an der Schnittstelle, wo das Gas zuerst in die poröse Schicht eintritt, mehr Flüssigkeit und konzentrierte Salze akkumulierten. Das schuf lokale Taschen mit eingeschlossener Flüssigkeit und Salz, die den CO2‑Fluss blockierten – eine Art mikroskopischer Stau, der mit der Zeit schlimmer wurde.

Leistungsverluste von innen messen

Um diese inneren Veränderungen mit realer Leistung zu verknüpfen, betrieben die Forschenden den Elektrolyseur bei einer industrierelevanten Stromdichte und verfolgten Zellspannung, Komponenten des Widerstands sowie Produktverteilung. Bei 30 % Kompression schwankte die Zellspannung stark, was zu instabilem Zwei‑Phasen‑Fluss passt, bei dem das Gas zeitweilig durch Flüssigkeit abgeschnitten wird. Elektrochemische Impedanzmessungen zeigten, dass der Massentransportwiderstand – wie schwer es für Reaktanten ist, die Reaktionsstellen zu erreichen – am Ende des Tests bei 30 % Kompression mehr als siebenmal höher war als bei 10 %. Dieser Anstieg ließ sich eher mit Salzablagerungen als mit Problemen an der Anode in Verbindung bringen, die fast keine Änderung in der Flüssigkeitsverteilung zeigte. Im Gegensatz dazu änderte sich der ohmsche Widerstand, der mit einfacher elektrischer Leitfähigkeit zusammenhängt, kaum mit der Kompression, was darauf hinweist, dass Überkompression hauptsächlich den Gas‑Flüssig‑Transport statt die grundlegende Leitfähigkeit beeinträchtigt.

Das optimale Gleichgewicht für Brennstoffproduktion finden

Die Gruppe bestimmte außerdem, wie selektiv das Gerät CO statt H2 über einen 90‑minütigen Betrieb produzierte. Anfangs zeigten stark komprimierte Elektroden eine etwas höhere CO‑Ausbeute, wahrscheinlich weil kürzere Diffusionsstrecken kurzfristig den CO2‑Zugang begünstigten. Mit zunehmender Ansammlung von Flüssigkeit und Salz in den eingeengten Poren sank die CO‑Produktion jedoch stark, während die H2‑Produktion anstieg und dann stabilisiert blieb – ein Hinweis darauf, dass CO2 zunehmend blockiert war, während Wasser weiterhin den Katalysator erreichte. Der leicht komprimierte Fall (10 %) startete mit einem geringeren CO‑Anteil, hielt diesen aber wesentlich konstanter und endete mit der höchsten durchschnittlichen CO‑Effizienz und einem geringeren Leistungsabfall. Das deutet darauf hin, dass eine offenere, weniger tortuose Porenstruktur Gaszugang, Flüssigkeitsverhalten und Salzmanagement über die Zeit besser ausbalanciert.

Was das für sauberere CO2‑Umwandlung bedeutet

Praktisch zeigt diese Studie, dass „mehr Druck“ beim Zusammenbauen von CO2‑Elektrolyseuren nicht immer besser ist. Ein moderater Kompressionsgrad von etwa 10 % reichte aus, um einen guten Kontakt zwischen den Schichten zu erhalten und gleichzeitig offene Wege für CO2‑Gas zu bewahren sowie Flüssigkeits‑ und Salz‑Einschlüsse zu begrenzen. Das Überkomprimieren der gasdiffundierenden Elektrode quetschte gerade jene Kanäle zu, von denen das Gerät zum Atmen abhängt, und führte zu instabilen Spannungen, höheren Transportverlusten und schnellerem Verlust der CO‑Selektivität. Durch sorgfältiges Abstimmen der mechanischen Kompression – eines kostengünstigen Designparameters – können Ingenieurinnen und Ingenieure die Lebensdauer der Geräte verlängern, den Betrieb bei hohen Strömen stabilisieren und die CO2‑Elektrolyse näher an eine industrielle Realisierbarkeit bringen.

Zitation: Farsi, A., Batta, V., Tugirumubano, A. et al. Impact of over compressing gas diffusion electrodes in alkaline zero-gap CO₂ electrolyzers. Sci Rep 16, 12443 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42959-1

Schlüsselwörter: CO2-Elektrolyse, gasdiffundierende Elektrode, mechanische Kompression, Massentransport, elektrochemische Umwandlung