Energie aus Kohlendioxid

Das Polyoxometalat-Molekül dient nur als Vehikel für Elektronen und wird in dem Verfahren nicht verbraucht. Grafik: Science

Amerikanische Wissenschaftler haben ein Verfahren entwickelt, um aus dem bei der Reformierung von Erdgas und anderen Kohlenwasserstoffen freiwerdenden Kohlenmonoxid direkt in der Brennstoffzelle elektrische Energie zu gewinnen. Die Technik könnte den Einsatz von Brennstoffzellen mit Reformern effektiver machen.

Wird eine Polymermembranbrennstoffzelle (PEM) mit Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise Methan (CH4) betrieben, so muss das Brenngas in einem vorgeschalteten externen Reformer zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert werden. Diese Reaktion läuft gewöhnlich in zwei Schritten ab: Im ersten Schritt wird CH4 unter Zufuhr von Wärme mit Wasserdampf in Verbindung gebracht, worauf Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff entstehen. Anschließend wird das Kohlenmonoxid erneut mit Wasserdampf versetzt. Es entstehen daraus Kohlendioxid und Wasserstoff. So verschwindet das für die Platin-Katalysatoren der Brennstoffzelle als starkes Gift wirkende Kohlenmonoxid aus dem Brenngas, und es steht zusätzlich Wasserstoff zur Verbrennung in der Brennstoffzelle zur Verfügung.

Diese so genannte Shift-Reaktion läuft jedoch vergleichsweise langsam ab und setzt der Reformierung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen daher ein Limit. Zudem bringt die Shift-Reaktion einen Wasserverbrauch mit sich, was besonders bei tragbaren Brennstoffzellen einen zusätzlichen Aufwand bedeutet.

Bei dem von Won Bae Kim von der Universität von Wisconsin in Madison und seinen Kollegen entwickelten Verfahren entfällt diese Shift-Reaktion jedoch völlig: Das Kohlenmonoxid reagiert in einem vorgeschalteten Reaktor in Anwesenheit von Wasser mit einem Komplexmolekül, einem so genannten Polyoxometalat. Dabei gibt das Kohlenmonoxid Elektronen an den Komplex ab und nimmt dabei den Sauerstoff des Wassers auf, wobei Kohlendioxid entsteht. Der Komplex mit den überzähligen Elektroden wandert zur Anode der Brennstoffzelle, gibt diese Ladungen dort ab und strömt wieder zurück in den Reaktor. Er dient also nur als Transportmittel für Elektronen und wird nicht verbraucht.

Mit diesem Verfahren kann ohne Shift-Reaktion aus dem Kohlendioxid zusätzliche elektrische Energie gewonnen werden. Anwendung versprechen sich die Entwickler vor allem bei Brennstoffzellen, die ihr Brenngas aus Biomasse beziehen. Dabei sei das Verhältnis des entstehendem Kohlenmonoxid und Wasserstoff besonders günstig.

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Ulrich Dewald Innitiative Brennstoffzelle

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