Neue Studie zur Optimierung mikrobieller Brennstoffzellen zeigt, dass Elektrodenmaterial den Unterschied ausmachen kann

Derzeit werden mikrobielle Brennstoffzellen hauptsächlich in Forschungslabors zur Stromerzeugung eingesetzt. Damit zukünftig industrielle Anwendungen in Betracht gezogen werden können, müssen die Brennstoffzellen so weiterentwickelt werden, dass sie dauerhaft höhere Strommengen produzieren können, als dies heute der Fall ist.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Biotechnologie für Biokraftstoffe und Bioproduktehat ein Forschungsteam der Universität Bayreuth untersucht, welche Faktoren dabei eine Rolle spielen. Als besonders wichtig zur Erhöhung der Stabilität und Leistungsfähigkeit hat sich die Wahl des Elektrodenmaterials erwiesen.

Der Stromkreis in mikrobiellen Brennstoffzellen wird durch den Stoffwechsel von Mikroorganismen am Laufen gehalten: Diese ernähren sich von organischen Verbindungen und geben dabei Elektronen ab, die an die Anode der Brennstoffzelle und von dort an die Kathode übertragen werden. Das Bayreuther Forschungsteam testete bei seinen Untersuchungen zur Optimierung mikrobieller Brennstoffzellen zwei unterschiedliche Elektrodenmaterialien: Kohlenstofffilz und modifiziertes Edelstahlgewebe.

Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Elektroden der Zellen aus Edelstahlgewebe bestanden, dessen Oberfläche mit hochleitfähigem Ruß und umweltfreundlichem Polymerbinder modifiziert wurde. Der optimale Abstand zwischen Anode und Kathode betrug etwa vier Zentimeter. Dieser erzeugt zuverlässig Strommengen, die in der Praxis beispielsweise zur Versorgung von Umweltüberwachungssensoren in abgelegenen Regionen genutzt werden können – ohne Anschluss an das Stromnetz.

Solche Brennstoffzellen ermöglichen es auch, mit Erdölkohlenwasserstoffen kontaminierte Böden zu dekontaminieren und gleichzeitig elektrische Energie zu erzeugen. Wie die Studie zeigt, lässt sich die Effizienz solcher Entgiftungsstrategien deutlich steigern, wenn geeignete Elektroden zum Einfangen der Stoffwechselelektronen zur Verfügung stehen.

„Die deutlich höhere Leistung, die wir mit der mikrobiellen Brennstoffzelle mit den neu entwickelten Elektroden erreichen konnten, lässt sich damit erklären, dass dieses Material eine größere spezifische Oberfläche bietet, mit der die Mikroorganismen interagieren können, und kapazitive Eigenschaften, um die Bioelektrizität intern zu speichern. Daher ist die Zahl der aus dem mikrobiellen Stoffwechsel freigesetzten Elektronen, die hier in den Stromkreis gelangen, besonders hoch“, sagt die Erstautorin der Studie, Meshack Imologie Simeon.

Als Doktorand in der Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik der Universität Bayreuth forscht er an Möglichkeiten zur nachhaltigen Energieerzeugung auf Basis von Biostrom. Als Masterstudent an der University of Ibadan und wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Federal University of Technology in Minna, Nigeria, kam er erstmals mit Wissenschaftlern in Bayreuth in Kontakt, die an diesem Thema arbeiten.

Wie die Studie zeigt, wird die Stabilität der Brennstoffzellen und die erzeugte Strommenge auch von den Zeitintervallen beeinflusst, in denen die Mikroorganismen gefüttert werden. Als besonders effektiv hat sich eine zeitflexible Einspeisung erwiesen, die dann einsetzt, wenn sich eine Abschwächung der Stromerzeugung bemerkbar macht. Es zeigte sich, dass dies mehr zu einer Steigerung der Brennstoffzellenleistung beiträgt als eine regelmäßige Fütterung in gleichen Zeitintervallen.

Das Bayreuther Forschungsteam führte seine Untersuchungen an einer bodenbasierten Brennstoffzelle (Soil Microbial Fuel Cells) durch: Diese Art von Brennstoffzelle arbeitet mit Bakterien und anderen Mikroorganismen, wie sie beispielsweise in Acker- oder Waldböden vorkommen. Um die verschiedenen Arten von Mikroorganismen zu identifizieren, die an der Stromerzeugung in der Brennstoffzelle beteiligt sind, wurden mikrobielle DNA-Sequenzen von den Elektroden entnommen.

Diese Sequenzen wurden unter der Leitung von Dr. Alfons Weig im Zentrallabor für DNA-Analytik der Universität Bayreuth auf ihre Herkunft analysiert. Proteobakterien machten den größten Anteil aus, aber auch ein anderer Bakterienstamm – Firmicutes – war häufig vertreten.

„Unsere Untersuchungen zeigen, dass natürliche Böden eine Mischung verschiedener Bakterienstämme enthalten, die zur direkten Elektronenübertragung fähig sind und in Brennstoffzellen zur Erzeugung von Biostrom genutzt werden können. Soweit wir in der Lage waren, das Verhältnis dieser Stämme in der Mischung zu bestimmen hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Stabilität und Leistung der Brennstoffzelle. Den größten Einfluss haben die Elektrodenmaterialien, von denen der ohmsche Widerstand im Stromkreis und die elektrische Kapazität der Brennstoffzelle abhängen“, betont Prof. Dr. Ruth Freitag , Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik an der Universität Bayreuth.