Kohlenstoff-Brennstoffzelle

Definition und Bedeutung

Die Kohlenstoff-Brennstoffzelle, englisch Direct Carbon Fuel Cell (DCFC), wandelt Kohlenstoff und Sauerstoff direkt in Kohlenstoffdioxid (CO₂) und elektrische Energie um. Diese elektrochemische Reaktion wird als „kalte Verbrennung“ bezeichnet. Anders als ein konventionelles Kohlekraftwerk benötigt die Zelle keine verlustreichen Zwischenstufen wie Wärmeerzeugung, Dampferzeugung und den Antrieb eines Generators.

Die DCFC unterscheidet sich von anderen Brennstoffzellen vor allem durch ihren Brennstoff: Statt gasförmigem Wasserstoff oder flüssigem Methanol verwendet sie festen Kohlenstoff. Wegen seines außerordentlich hohen Schmelzpunktes kann dieser nicht flüssig oder gasförmig zugeführt werden. Obwohl das Grundprinzip spätestens seit 1894 bekannt ist, befindet sich die Technik weiterhin in einem frühen Forschungs- und Entwicklungsstadium.

Elektrochemische Funktionsweise

An der Anode, dem Minuspol, wird Kohlenstoff oxidiert. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid und Elektronen:

• Anode: C + 2 O²⁻ → CO₂ + 4 e⁻

An der Kathode, dem Pluspol, nimmt Sauerstoff die Elektronen auf und wird zu Oxidionen reduziert:

• Kathode: O₂ + 4 e⁻ → 2 O²⁻

Zwischen beiden Elektroden liegt ein Elektrolyt, also ein Material, das bestimmte Ionen leitet. Er transportiert die Oxidionen O²⁻ von der Kathode zur Anode. Die Gesamtreaktion lautet:

• Zelle: C + O₂ → CO₂

Für den Betrieb ist außerdem das Boudouard-Gleichgewicht wichtig:

• CO₂ + C ⇌ 2 CO

Entsteht dabei Kohlenstoffmonoxid (CO) statt Kohlenstoffdioxid, sinkt die Effizienz der Zelle. Dieser Effekt tritt vor allem bei Temperaturen oberhalb von 850 °C auf.

Leistung, Brennstoffe und Bauarten

Die Potenzialdifferenz zwischen Anode und Kathode beträgt ungefähr 0,8 Volt; theoretisch sind unter Standardbedingungen 1,02 Volt möglich. Der elektrische Wirkungsgrad wird mit rund 80 % angegeben. Zum Vergleich nennt der Artikel für Wasserstoff-Brennstoffzellen bis zu etwa 70 % und für Kohle-Wärmekraftanlagen ungefähr 40 %. Im praktischen Betrieb sind jedoch niedrigere Wirkungsgrade zu erwarten. Weil das Kohlenstoffatom einen höheren Ladungszustand als das Wasserstoffmolekül besitzt, dürfte die Stromdichte an der Anode ungefähr doppelt so hoch sein.

Als Brennstoff können neben reinem Kohlenstoff auch Kohle oder Koks dienen. Dabei sammelt sich langfristig Asche an, die die Katalysatoren an der Anode vergiften, also ihre Wirkung beeinträchtigen kann. Deshalb sollte Kohle vor ihrem Einsatz durch Auswaschen von störenden anorganischen Bestandteilen gereinigt werden.

Die Bauart richtet sich nach dem Elektrolyten. Möglich sind Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) mit festem Elektrolyten und Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) mit flüssigen Carbonaten. Werden flüssige Carbonate und feste Elektrolyte gemeinsam verwendet, verbindet die Zelle beide Typen. Auch geschmolzenes Hydroxid kann als Elektrolyt eingesetzt werden.

Forschungsstand und erneuerbare Rohstoffe

Ein wichtiges Forschungsgebiet ist die Gewinnung des benötigten Kohlenstoffs aus nachwachsenden Rohstoffen. Dazu werden pflanzliche Ausgangsmaterialien in Pflanzenkohle umgewandelt. Für Festoxidbrennstoffzellen kann der Kohlenstoff beispielsweise aus Weizenstroh, Schilfrohr, Walnuss- oder Pampelmusenschalen, Sägespänen, Olivenholz oder Maisspindeln gewonnen werden.

Vor einer tatsächlichen technischen Nutzung ist noch umfangreiche Grundlagenforschung erforderlich. Der Artikel gibt deshalb keinen konkreten Ausblick darauf, wann oder in welcher Form Kohlenstoff-Brennstoffzellen praktisch eingesetzt werden könnten.

Historische Entwicklung

Nach Angaben Wilhelm Ostwalds führte Pawel Jablotschkow (Paul Jablochkoff) einen frühen Versuch mit einem „Kohleelement“ durch. Als Elektrolyt verwendete er geschmolzenen Salpeter; die Anordnung lieferte nur sehr geringe Ströme. Ostwald stellte 1894 die Vision vor, Kohle und Luftsauerstoff unmittelbar und ohne Rauch, Ruß, Dampfkessel oder Dampfmaschine zur Stromerzeugung zu nutzen. Dadurch erhielt die Idee international Aufmerksamkeit.

William W. Jacques bekam 1896 ein US-amerikanisches und 1897 ein kanadisches Patent für eine Apparatur zur direkten Umwandlung der Energie von Kohlenstoff in elektrische Energie. Er berichtete von einer Versuchsanordnung mit etwa 2 PS Leistung und 32 % Wirkungsgrad. Außerdem sollen 100 in Serie geschaltete Zellen 90 Volt und Ströme bis 16 Ampere erreicht haben. Diese historischen Angaben wurden später nicht als praktischer Durchbruch bestätigt: 1907 stellte eine Zusammenfassung fest, dass praktische Erfolge vollständig fehlten und die Forschung nicht über erste Vorversuche hinausgekommen sei.

Emil Baur demonstrierte 1909 und 1910 eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle. Sie nutzte konzentrierte Schwefelsäure bei 200–250 °C als Elektrolyten, ein von Sauerstoff umspültes Platinblech als Pluspol-Elektrode und Vanadiumsalze als Katalysator. Gemessen wurden 0,6 bis 0,7 Volt sowie Ströme bis 0,2 Ampere. Baur und William Treadwell ließen sich 1919 und 1920 Festelektrolyt-Brennstoffzellen patentieren, für die sie auch Kohle oder Koks als Brennstoff vorschlugen. 1937 veröffentlichte Baur die erste wissenschaftliche Publikation zu solchen Zellen und setzte neben Brenngasen auch Kokskörner ein. Anfang der 1950er Jahre erreichte Eduard Justi mit einer verbesserten Festelektrolyt-Brennstoffzelle bei 650 °C Ruhespannungen von 0,99 bis 1,0 Volt.