Kohlenstoff-Brennstoffzellen

Im Jahr 1897 erhielt der USAmerikaner W. Jacques ein Patent auf eine Brennstoffzelle, deren Anode aus Kohlenstoff und Anode aus Sauerstoff bestanden, die über den Elektrolyten KOH leitend verbunden waren: Die Geburtsstunde der Kohlenstoff-Brennstoffzelle.

In den folgenden Jahren geschah nichts mit dieser Erfindung, denn andere Wissenschaftler (wie z.B. F. Haber) konnten die Energiewandlung mithilfe dieser Brennstoffzelle nicht bestätigen. Dies gelang erst 1973 in Stanford/USA. Seitdem sind wesentliche Fortschritte in der Entwicklung einer derartigen Brennstoffzelle erzielt worden.
Der prinzipielle Aufbau einer Kohlenstoff-Brennstoffzelle ist sehr ähnlich dem einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, wie in den Abbildungen unten gezeigt, die aus den entsprechenden Abbildungen in Energie2 abgeleitet wurden.
2 H2 + O2 -> 2 H2O

 C + O2 -> CO2
Die fundamentalen Reaktionen, mit deren Hilfe die chemische Energie direkt in elektrische Energie gewandelt wird, lauten:
An der Anode
H2 + O2- -> H2O + 2 e-
 C + 2 O2- -> CO2 + 4 e-
An der Kathode
1/2 O2 + 2 e- -> O2-
 O2 + 4 e- -> 2 O2-
Die Potenzialdifferenzen (elektrische Spannungen) U zwischen Kathode und Anode wurden in Energie2 berechnet, sie betragen
theoretisch
1.2 V
 praktisch
1.0 V

theoretisch
1.0 V
 praktisch
0.8 V
Die Kohlenstoff-Brennstoffzelle besitzt aber gegenüber der Wasserstoff-Brennstoffzelle zwei entscheidende Vorteile:
  • Der Ladungszustand von Kohlenstoff ist doppelt so groß wie der eines Wasserstoffmoleküls. Daher ist auch im ersten Fall die (Ladungs-)Stromdichte doppelt so hoch, wenn die Anzahldichten an der Anode gleich groß sind.
  • Die Gasvolumina vor und nach der Reaktion sind im Fall der Kohlenstoff-Brennstoffzelle gleich groß, dagegen verschieden im Fall der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Das bedeutet, dass sich die Entropie im ersten Fall fast nicht verändert, der gesamte Heizwert H kann daher vollständig in elektrische Energie Wel gewandelt werden.
Daher ist der Nutzungsgrad der Kohlenstoff-Brennstoffzelle mit = 0.8 sehr groß, verglichen mit = 0.5 im Fall der Wasserstoff-Brennstoffzelle.

Das besondere Problem besteht darin, die erforderlichen Teilchendichten für den Kohlenstoff zu erreichen. Eine Möglichkeit bietet die Hydropyrolyse, bzw. Pyrolyse, mit deren Hilfe Kohle bzw. Kohlenwasserstoffe in Nanoteilchen aus Kohlenstoff (Ruß) zerlegt werden können. Darüber hinaus können aber z.B. auch Abfallstoffe aus der Petrochemie oder sogar Biomasse mit geeigneten Verfahren zerlegt und in einer Kohlenstoff-Brennstoffzelle eingesetzt werden. Für die Biomasse ist dies wahrscheinlich die Technologie mit den höchsten Nutzungsgraden (siehe auch Kap. 3.2).
Unter optimalen Bedingungen beträgt die Leistungsflächendichte einer derartigen Zelle etwa
I = 8 · 103 kWh a-1 m-2.
Das sollte verglichen werden mit der mittleren Sonnenintensität in Deutschland, die nur einen Wert von
= 1 · 103 kWh a-1 m-2
erreicht, also 8mal geringer ist.
In der Entwicklung zu einem praktisch nutzbaren Prototyp durch das Lawrence Livermore National Laboratory wird als Elektrolyt eine Karbonatschmelze (z.B. Na2CO3) verwendet, die von 2 Nickelelektroden begrenzt ist. Kathodenseitig befindet sich ein Brei aus Kohlenstoff-Nanoteilchen und geschmolzenem Karbonat, anodenseitig strömt Luft (O2) an der Elektrode vorbei. Die Reaktionsgleichungen lauten in dieser Ausführung:
An der Anode: C + 2 CO32- -> 3 CO2 + 4 e-
 An der Kathode: O2 + 2 CO2 + 4 e- -> 2 CO32-
Daraus wird ersichtlich, dass der Elektrolyt selbst verbraucht wird, d.h. er muss durch CO2-Zugabe immer wieder erneuert werden1). Außerdem gibt es ein weiteres Problem: Das Karbonat schmilzt erst bei ca. 1100 K, die Brennstoffzelle muss also hoch erhitzt werden. Das erfordert zusätzlich thermische Energie, die sich aber u.U. mithilfe von Konzentratoren aus der Sonnenstrahlung wandeln lässt. Wegen der notwendigen und kontinuierlichen Ausrichtung der Konzentratorelemente ist das sicherlich eine Technik, die sich nur mit stationären Wandlungsanlagen in einem Gebiet verwirklichen lässt, in dem die Sonnenstrahlung nur aus der direkten Komponente besteht. In Deutschland sind derartige Gebiete nicht vorhanden.
1) Es ist merkwürdig, dass dieses Problem in keinem der vorliegenden Berichte erwähnt wird. Dabei ist es offensichtlich, wenn man die Reaktionsgleichungen betrachtet.