Brennstoffzelle mit Kohle


14. September 2005 Kohle ist nach wie vor einer der wichtigsten Energieträger. Die weltweiten Reserven übertreffen sogar die Vorkommen an Erdöl- und Erdgas. Üblicherweise erzeugt man elektrischen Strom über die Verbrennung von Kohle. Mit der freiwerdenden Wärme wird Dampf erzeugt, der einen Stromgenerator antreibt. Dabei entstehen allerdings große Mengen des Treibhausgases Kohlendioxyd. Schon lange sucht man nach effizienteren Wegen zur Stromgewinnung. Forscher von der Harvard University in Cambridge haben nun ein vergleichsweise umweltschonendes Verfahren mit einem hohen Wirkungsgrad ersonnen. Es beruht auf einer Brennstoffzelle, die statt mit Wasserstoff, Methanol oder Methan mit Kohle betrieben wird. Das Neue daran: Das Verfahren funktioniert bei hundert Grad.

Die ersten Versuche, auf elektrochemischem Wege aus Kohle durch Oxydation Strom zu erzeugen, liegen lange zurück. Bereits 1921 skizzierte der damalige Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Kohlenforschung in Mülheim, Franz Fischer, auf der Jahresversammlung Deutscher Elektrochemiker ein entsprechendes Verfahren, das jedoch nie verwirklicht wurde. Denn die elektrochemische Oxydation von Kohle verläuft normalerweise recht langsam. Deshalb experimentieren viele Forscher heute mit Hochtemperaturzellen, die geschmolzene Oxyde als Elektrolyten enthalten. Daraus resultieren jedoch eine Reihe gravierender technischer Schwierigkeiten wie die starke Korrosion der Elektroden oder ein hoher elektrischer Widerstand, der den Wirkungsgrad beeinträchtigt.

Eisenionen als Reaktionsbeschleuniger
Die Wissenschaftler um George Whitesides haben nach einem Weg gesucht, der Oxydation von Kohle auf die Sprünge zu helfen und gleichzeitig die Betriebstemperatur zu senken. Die Lösung lieferten mehrfach geladene Eisenionen, die als Reaktionsbeschleuniger wirken. Für ihre Brennstoffzelle schlämmen die Forscher Kohlepulver zunächst in Schwefelsäure auf und versetzen die Mischung dann mit dreifach positiv geladenen Eisenionen. Die Teilchen reagieren mit der Kohle und oxydieren diese zu Kohlendioxyd. Dabei nimmt jedes Eisenion ein Elektron auf, wobei es seinen Ladungszustand ändert. Die einverleibten Elektronen werden über eine Elektrode, die Anode, an den Stromkreis abgegeben. Dabei kehren die zweifach geladenen Eisenionen in den ursprünglichen Zustand zurück, und die Reaktion kann von vorne beginnen. Das zweite Element der Brennstoffzelle ist eine Lösung mit Vanadiumionen. Diese nimmt die von der Kathode kommenden Elektronen auf. Die mit Kohle versetzte Schwefelsäure und die Vanadium-Lösung sind durch eine Membran voneinander getrennt.

Hundert Grad und tausend Stunden
Wie Whitesides und seine Kollegen in der Zeitschrift "Angewandte Chemie" (Bd. 117, S. 5828) berichteten, arbeitet die Kohle-Brennstoffzelle bei einer Temperatur von hundert Grad tausend Stunden lang, ohne daß die Leistung zwischendurch abfällt. Bei einem Liter an Elektrolytlösung fließt ein maximaler Strom von fünf Ampere. Lediglich Kohle als Brennstoff müssen die Forscher alle vier Tage zugeben.

Weil die Elektronen direkt aus der chemischen Reaktion der Kohle mit Sauerstoff stammen, ist das Verfahren effizienter und sauberer als die herkömmliche Stromerzeugung durch die Verbrennung von Kohle. Allerdings hält Whitesides seine Brennstoffzelle noch nicht für praxistauglich. Nach seiner Ansicht bedarf es noch einiger technischer Verbesserungen. (Quelle: Uta Bilow; faz.net)


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