Kohlenstoff-Brennstoffzelle

Die Kohlenstoff-Brennstoffzelle (engl. Direct Carbon Fuel Cell DCFC) ist eine Brennstoffzelle, die nach dem Prinzip der Umwandlung von Kohlenstoff und Sauerstoff in Kohlenstoffdioxid (CO₂) unter direkter Freisetzung elektrischer Energie arbeitet („kalte Verbrennung“). Die Anordnung erlaubt eine Umwandlung chemischer in elektrische Energie unter Umgehung verlustreicher Umwandlungsstufen, wie dies in konventionellen Kohlekraftwerken der Fall ist.

Kohlenstoff-Brennstoffzellen sind seit spätestens 1894 im Prinzip bekannt, befinden sich aber dennoch in einem frühen Stadium von Forschung und Entwicklung. Im Gegensatz zu allen anderen bekannten Brennstoffzellentypen, die flüssige oder gasförmige Brennstoffe wie Methanol oder Wasserstoff nutzen, verwendet die DCFC einen Feststoff als Energielieferanten, nämlich Kohlenstoff, der aufgrund seines außerordentlich hohen Schmelzpunktes nicht flüssig oder gasförmig der Zelle zugeführt werden kann.

Prinzip

Schema einer Kohlenstoff-Brennzstoffzelle. An der links gezeigten Minuspolseite (Anode) wird der Kohlenstoff C zugeführt und zu Kohlenstoffdioxid CO₂ oxidiert. An der hier rechts gezeigten Elektrode, der Kathode (Pluspol) wird Sauerstoff O₂ zum Oxidion O²⁻ reduziert. Zwischen den Elektroden befindet sich der Elektrolyt, der Sauerstoffionen leitet, so dass sie von der Kathode zur Anode gelangen können.

Die elektrochemischen Vorgänge an den Elektroden und die Gesamtreaktion sind:

• Anode: C + 2 O²⁻ → CO₂ + 4 e⁻
• Kathode: O₂ + 4 e⁻ → 2 O²⁻
• Zelle: C + O₂ → CO₂

Auch das Boudouard-Gleichgewicht

• CO₂ + C ⇌ 2 CO

spielt eine Rolle, da es die Effizienz der Zelle herabsetzt (vor allem bei Temperaturen oberhalb 850 °C), wenn statt CO₂ CO entsteht.

Die Potenzialdifferenz zwischen Anode und Kathode beträgt ca. 0,8 Volt (theoretisch 1,02 Volt unter Standardbedingungen). Der elektrische Wirkungsgrad liegt relativ hoch, bei rund 80 % (vergl. Wasserstoff-Brennstoffzelle bis ca. 70 %, Kohle-Wärmekraftanlage ca. 40 %). In der Praxis sind jedoch niedrigere Wirkungsgrade zu erwarten. Aufgrund des höheren Ladungszustandes des Kohlenstoffatoms im Gegensatz zum Wasserstoffmolekül dürfte die Stromdichte an der Anode etwa das Doppelte betragen.

Es ist möglich, Kohlenstoff-Brennstoffzellen auch mit Kohle oder Koks zu betreiben. Langfristig kann die sich anreichernde Asche allerdings zu einer Vergiftung der Katalysatoren an der Anode führen. Daher sollte Kohle vor der Verwendung in Brennstoffzellen durch Herauswaschen störender anorganischer Bestandteile gereinigt werden.

Je nach verwendetem Elektrolyt sind Kohlenstoffbrennstoffzellen entweder Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) oder Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) oder beides zugleich, wenn sowohl flüssige Carbonate als auch feste Elektrolyte in einer Zelle genutzt werden. Auch eine Verwendung von geschmolzenem Hydroxid als Elektrolyt ist möglich.

Aktuelle Forschung

Eines der aktuellen Forschungsthemen im Bereich Kohlenstoff-Brennstoffzellen ist die Gewinnung des Kohlenstoffs dafür aus nachwachsenden Rohstoffen, indem aus diesen Pflanzenkohle hergestellt wird. Beispielsweise kann der Kohlenstoff für SOFCs aus Weizenstroh, Schilfrohr, Walnuss- oder Pampelmusenschalen, Sägespänen, Olivenholz oder Maisspindeln gewonnen werden.

Gegenwärtig ist auf diesem Gebiet noch einiges an Grundlagenforschung notwendig, um das Prinzip nutzen zu können. Ein Ausblick auf die tatsächliche technische Nutzung kann derzeit nicht gegeben werden.

Historisches

Laut den Angaben von Wilhelm Ostwald wurde ein erster Versuch mit einem „Kohleelement“, d. h. einer Kohlenstoff-Brennstoffzelle, von Pawel Jablotschkow (Paul Jablochkoff) durchgeführt. Es verwendete geschmolzenen Salpeter als Elektrolyten und lieferte nur sehr geringe Ströme. Wilhelm Ostwald trug 1894 die Vision einer technischen Umwälzung durch die Kohlenstoff-Brennstoffzelle vor: „Haben wir ein galvanisches Element, welches aus Kohle und dem Sauerstoff der Luft unmittelbar elektrische Energie liefert, und zwar in einem Betrage, der einigermaßen im Verhältnis zu dem theoretischen Werte steht, dann stehen wir vor einer technischen Umwälzung, gegen welche die bei der Erfindung der Dampfmaschine verschwinden muss. [...] Kein Rauch, kein Russ, kein Dampfkessel, keine Dampfmaschine“. Daraufhin fand die Idee der Elektrizität direkt aus Kohle internationale Beachtung, und mehrere Erfinder versuchten, Ostwalds Konzept umzusetzen. Dazu gehört auch der US-amerikanische Erfinder William W. Jacques, der 1896 ein US-amerikanisches Patent erhielt zur direkten Umwandlung der Energie von Kohlenstoff in elektrische Energie („the potential energy of the carbon may be converted directly into electrical energy instead of into heat“). 1897 erhielt er ein entsprechendes kanadisches Patent auf seine Apparatur. Jacques berichtete in einem Zeitschriftenartikel über seine Brennstoffzelle; er spekulierte, dass sie auch zum Antrieb von Eisenbahnzügen oder Transatlantikschiffen geeignet wäre. Er betonte den Vorteil, dass seine Umsetzung der Kohle ohne Verbrennung sauberer ablaufen könnte, und stellte sich rauchfreie Kraftwerke vor. Er berichtete von Messungen, dass eine mit seiner Kohlenstoffzelle betriebene Versuchsanordnung eine Leistung etwa 2 PS geliefert habe und dabei einen Wirkungsgrad von 32 % gehabt hätte, was vierzigmal effizienter gewesen sei als der herkömmliche Weg über Verbrennung, Dampferzeugung und Generator. Angeblich erhielt er anhand von 100 in Serie geschalteten Zellen eine Spannung von 90 Volt und Ströme bis zu 16 Ampere. Einige Jahre später wurden die ersten Versuche zu Kohlenstoff-Brennstoffzellen als Fehlschläge gewertet. 1907 wurde zusammenfassend festgestellt:

„Praktische Erfolge fehlen aber leider bisher gänzlich, denn soviel Mühe man sich auch gegeben hat, dieses Problem zu lösen, so ist man doch über die ersten Vorversuche noch nicht hinausgekommen.“

In den Jahren 1909 und 1910 demonstrierte Emil Baur (1873–1944) eine Kohlenstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle in seiner Vorlesung in Braunschweig. Dabei benutzte er heiße (200–250 °C) konzentrierte Schwefelsäure als Elektrolyten. Ein mit Sauerstoff umspültes Platinblech diente als Elektrode an der Pluspolseite; zusätzlich nutzte er an dieser Elektrode ein Gemisch von Vanadiumsalzen (Vanadiumpentoxid und Vanadylsulfat) als Katalysator. Es wurden Spannungen von 0,6 bis 0,7 Volt gemessen, und Ströme von bis zu 0,2 Ampere erhalten. 1919 und 1920 erhielten Emil Baur und sein Schüler William Treadwell Patente auf Festelektrolyt-Brennstoffzelle, wobei sie auch Kohle bzw. Koks als Brennstoff vorschlugen. Baur veröffentlichte 1937 die erste wissenschaftliche Publikation zu Festelektrolyt-Brennstoffzellen, wobei er neben Brenngasen wie Wasserstoff auch Kokskörner nutzte. Eduard Justi erreichte Anfang der 1950er Jahre in seiner verbesserten Festelektrolyt-Brennstoffzelle bei 650 °C Ruhespannungen von 0,99 bis 1,0 Volt.

Weblinks

• uni-heidelberg.de: Kohlenstoff-Brennstoffzellen (Memento vom 13. August 2007 im Webarchiv archive.today)
• Science & Technology Review: John Cooper: Turning Carbon directly into Electricity; June 2001
• The Energy Lab – 2003 Conference Proceedings: Direct Carbon Fuel Cell Workshop
• Barbara Heydorn with Steven Crouch-Baker: Direct carbon conversion: progressions of power (PDF-Datei; 712 kB)
• Simon Nürnberger, Rainer Bußar, Björn Franke und Ulrich Stimming: Effiziente und umweltfreundliche Nutzung von Kohlenstoff zur Elektrizitätserzeugung (MS PowerPoint; 7,2 MB)

Einzelnachweise

1. Friedrich Wilhelm Ostwald: Die wissenschaftliche Elektrochemie der Gegenwart und die technische der Zukunft. Vortrag, gehalten vor der 2. Jahresversammlung des Verbandes der Elektrotechniker Deutschlands am 8. Juni 1894 in Leipzig. In: Wilhelm Ostwald und J. H . van't Hoff (Hrsg.): Zeitschrift für Physikalische Chemie, Stöchiometrie und Verwandtschaftslehre. Band 15, Nr. 4. Wilhelm Engelmann, Leipzig 1894, S. 409–421 (online im Internet Archive). 
2. Sukhvinder P. S. Badwal, Hyungkuk Ju, Sarb Giddey, Aniruddha Kulkarni: Direct Carbon Fuel Cells. In: Encyclopedia of Sustainable Technologies. Elsevier, 2017, ISBN 978-0-12-804792-7, S. 317–329, doi:10.1016/b978-0-12-409548-9.10119-8. 
3. Patent DE899212: Verfahren zur direkten Umwandlung der chemischen Energie des Kohlenstoffes oder brennbarer Gase in elektrische Energie auf elektrochemischem Wege. Angemeldet am 1951, veröffentlicht am 29. Oktober 1953, Erfinder: Eduard Justi, Herbert Spengler (Als Katalysator auf der Sauerstoffseite wurde Fe₃O₄ verwendet. Als Festelektrolyt werden Alkali- und Erdalkalicarbonate mit Magnesiumoxid als Träger vorgeschlagen.).‌
4. John F. Cooper, Robert Selman: Electrochemical Oxidation of Carbon for Electric Power Generation: A Review. In: ECS Transactions. ECS, San Francisco, CA 2009, S. 15–25, doi:10.1149/1.3220176. 
5. S. Nürnberger, R. Bußar, B. Franke, Ulrich Stimming: Effiziente und umweltfreundliche Nutzung von Kohlenstoff zur Elektrizitätserzeugung (vorgetragen von U. Stimming). In: Arbeitskreises Energie (AKE) Archiv. Arbeitskreis Energie AKE der Deutschen Physikalischen Gesellschaft DPG, 2009, abgerufen am 7. April 2019. 
6. Wenting An, Xiaojie Sun, Yong Jiao, Paulo Sérgio Barros Julião, Wei Wang: A solid oxide carbon fuel cell operating on pomelo peel char with high power output. In: International Journal of Energy Research. Band 43, Nr. 7, 10. Juni 2019, ISSN 0363-907X, S. 2514–2526, doi:10.1002/er.4097. 
7. HyungKuk Ju, Jiyoung Eom, Jae Kwang Lee, Hokyung Choi, Tak-Hyoung Lim: Durable power performance of a direct ash-free coal fuel cell. In: Electrochimica Acta. Band 115. Elsevier, Januar 2014, S. 511–517, doi:10.1016/j.electacta.2013.10.124. 
8. Xiang Li, Zhonghua Zhu, Roland De Marco, John Bradley, Andrew Dicks: Evaluation of raw coals as fuels for direct carbon fuel cells. In: Journal of Power Sources. Band 195, Nr. 13. Elsevier, Juli 2010, S. 4051–4058, doi:10.1016/j.jpowsour.2010.01.048. 
9. Yong-min Xie, Jiang-lin Li, Jin-xing Hou, Pei-jia Wu, Jiang Liu: Direct use of coke in a solid oxide fuel cell. In: Journal of Fuel Chemistry and Technology. Band 46, Nr. 10, Oktober 2018, S. 1168–1174, doi:10.1016/S1872-5813(18)30048-3. 
10. Jinshuai Yu, Yicheng Zhao, Yongdan Li: Utilization of corn cob biochar in a direct carbon fuel cell. In: Journal of Power Sources. Band 270, Dezember 2014, S. 312–317, doi:10.1016/j.jpowsour.2014.07.125. 
11. Patent DE325783: Brennstoffelement. Angemeldet am 20. September 2016, veröffentlicht am 17. September 1920, Erfinder: Emil Baur, William Dupré Treadwell („Um Kohle elektromotorisch zu verbrennen […] die Brennstoffelektrode bildenden Kohle (Koks, Steinkohle o.dgl.)“).‌
12. Emil Baur, Hans Preis: Über Brennstoff-Ketten mit Festleitern. In: Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie. Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische Chemie. Band 43, Nr. 9, September 1937, ISSN 0005-9021, S. 727–732 (wiley.com). doi:10.1002/bbpc.19370430903 (zurzeit nicht erreichbar)
13. S. Zecevic, E. M. Patton, P. Parhami: Direct Carbon Fuel Cell With Hydroxide Electrolyte: Cell Performance During Initial Stage of a Long Term Operation. In: 3rd International Conference on Fuel Cell Science, Engineering and Technology. ASMEDC, Ypsilanti, Michigan, USA 2005, ISBN 978-0-7918-3764-1, S. 507–514, doi:10.1115/FUELCELL2005-74169 (asme.org [abgerufen am 18. Oktober 2019]). 
14. Andrzej Kacprzak: Hydroxide electrolyte direct carbon fuel cells—Technology review. In: International Journal of Energy Research. Band 43, Nr. 1. John Wiley & Sons, Januar 2019, ISSN 0363-907X, S. 65–85, doi:10.1002/er.4197. 
15. N. Jafri, W.Y. Wong, V. Doshi, L.W. Yoon, K.H. Cheah: A review on production and characterization of biochars for application in direct carbon fuel cells. In: Process Safety and Environmental Protection. Band 118, August 2018, S. 152–166, doi:10.1016/j.psep.2018.06.036. 
16. Michalis Konsolakis, Nikolaos Kaklidis, George E. Marnellos, Dimitra Zaharaki, Kostas Komnitsas: Assessment of biochar as feedstock in a direct carbon solid oxide fuel cell. In: RSC Advances. Band 5, Nr. 90, 2015, ISSN 2046-2069, S. 73399–73409, doi:10.1039/C5RA13409A. 
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19. Jun Wang, Lijun Fan, Tongtong Yao, Juanjuan Gan, Xiaojing Zhi: A High-Performance Direct Carbon Fuel Cell with Reed Rod Biochar as Fuel. In: Journal of The Electrochemical Society. Band 166, Nr. 4, 2019, ISSN 0013-4651, S. F175–F179, doi:10.1149/2.0321904jes. 
20. Magdalena Dudek, Bartosz Adamczyk, Maciej Sitarz, Michał Śliwa, Radosław Lach: The usefulness of walnut shells as waste biomass fuels in direct carbon solid oxide fuel cells. In: Biomass and Bioenergy. Band 119, Dezember 2018, S. 144–154, doi:10.1016/j.biombioe.2018.09.026. 
21. Shuangbin Li, Cairong Jiang, Juan Liu, Haoliang Tao, Xie Meng: Mechanism of enhanced performance on a hybrid direct carbon fuel cell using sawdust biofuels. In: Journal of Power Sources. Band 383, April 2018, S. 10–16, doi:10.1016/j.jpowsour.2018.02.040. 
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24. Jeff Sheets: Electricity Direct from Coal - Fuel Cell Technology - Electricity Direct from Coal. In: Free Energy Planet. Abgerufen am 29. Juni 2019 (englisch). 
25. Alfred H. Bucherer: Electricity directly from coal. In: Journal of the Franklin Institute. Band 139, Nr. 5, Mai 1895, S. 378–384, doi:10.1016/0016-0032(95)90083-7. 
26. Elektricität direkt aus Kohle: Einige Referate aus der Litteratur der letzten Jahrzehnte. In: Walther Nernst, Wilhelm Borchers (Hrsg.): Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektrochemie. Band 4, Nr. 5. Wilhelm Knapp, 5. September 1897, ISSN 0372-8323, S. 129–136, doi:10.1002/bbpc.18970040502. 
27. Elektricität Direkt aus Kohle: Einige Referate aus der Litteratur der letzten Jahrzehnte. In: Walther Nernst, Wilhelm Borchers (Hrsg.): Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektrochemie. Band 4, Nr. 6. Wilhelm Knapp, 20. September 1897, ISSN 0372-8323, S. 165–171, doi:10.1002/bbpc.18970040604. 
28. Etienne de Fodor (István Fodor 1856–1929): Elektricität direkt aus Kohle. Hartleben’s Verlag, 1897, OCLC 248542156, Element Sauerstoff-Kohle (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
29. Matthew Brown, Matthew Cohen, Keith Gary: Fuel Cell Origins. William Jacques' carbon battery apparatus, 1896. In: Fuel Cells. Smithsonian Institution, 2001, abgerufen am 20. Mai 2018 (englisch): „The result was an efficiency of only 8 percent.“ 
30. Christina Rubin: Mr. Edison and the Talking Doll. Antique Toy Collectors of America, 2012, abgerufen am 2. Juni 2018 (englisch): „Jacques with his partner, Lowell Briggs co-founded the Edison Phonograph Toy Manufacturing Company in 1887“ 
31. Patent US555511: Method of converting potential energy of carbon into electrical energy. Veröffentlicht am 3. März 1896, Erfinder: William W. Jacques.‌
32. Patent CA55129: Electric Power Converter. Veröffentlicht am 1. März 1897, Erfinder: William W. Jacques.‌
33. William W. Jacques: Electricity Direct From Coal. In: Harper's New Monthly Magazine. Band 94, Nr. 559. Harper & Brothers Publishers, Dezember 1896, S. 144–150 (englisch, archive.org [abgerufen am 16. Mai 2018]): “fourty times greater than plants of corresponding size […] Think of a smokeless London!” 
34. Robert Lüpke, Emil Bose: Grundzüge der Elektrochemie auf experimenteller Basis. 5. Auflage. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1907, ISBN 978-3-662-23587-4, III. Abschnitt. Die osmotische Theorie der galvanischen Stromerzeugung, 4. Kapitel. Die Reduktions- und Oxydationsketten, § 4. Gewinnung der elektrischen Energie direkt aus Kohle, S. 172–173, doi:10.1007/978-3-662-25666-4 (online im Internet Archive). 
35. Emil Baur: Themen der physikalischen Chemie. Auf Veranlassung des Vereins deutscher Ingenieure an der Technischen Hochschule zu Braunschweig gehaltene Vorträge. Akademische Verlagsgesellschaft m. b. H., Leipzig 1910, Zweite Vorlesung. Volta-Ketten, S. 19–22 (online im Internet Archive, Buch aus der University of California [abgerufen am 20. Juli 2019]). 
36. Patent GB126766: Improvements in Electric Cells or Batteries.. Angemeldet am 16. März 1918, veröffentlicht am 16. Mai 1919, Erfinder: Emil Baur, William Dupré Treadwell (Kokselektrode, Eisenoxidkatalysator für die Sauerstoffreduktion).‌