Ammoniak-Brennstoffzelle

Eine Ammoniak-Brennstoffzelle setzt Ammoniak und Sauerstoff bzw. Luft zu Wasser und Stickstoff um. Wie alle Brennstoffzellen gewinnt sie dabei elektrische Energie aus der chemischen Energie der eingesetzten Stoffe. Für Ammoniak als Energieträger spricht, dass es als großtechnisch erzeugte Grundchemikalie preiswert und in großen Mengen verfügbar ist, und dass seine Energiedichte höher ist als die von Wasserstoff in Drucktanks, aber auch höher als die von Wasserstoff in Metallhydriden. Verflüssigter Ammoniak hat (wenn man den zur Verbrennung benötigten Sauerstoff nicht mit einrechnet) eine dem Benzin vergleichbare Energiedichte. Abgesehen von der Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle nutzen praktisch alle anderen Brennnstoffzellen, z.B. die Direktmethanolbrennstoffzelle und die Direktethanolbrennstoffzelle, kohlenstoffhaltige Brennstoffe. Im Gegensatz dazu kann bei der Umsetzung von Ammoniak kein Kohlenstoffdioxid entstehen, und die Produkte Stickstoff und Wasser sind umweltfreundlich. Damit ist Ammoniak ein idealer Energieträger, vor allem wenn er mittels Power-to-Ammonia-Verfahren mit Hilfe erneuerbarer Energiequellen oder mit biologischen Abbauprozessen gewonnen wird. Ammoniak-Brennstoffzellen könnten einen Beitrag zu einer kohlenstofffreien und damit klimafreundlichen Energiewirtschaft leisten. Sie sind aber im Stadium der Forschung und Entwicklung und noch weit von der Anwendung entfernt. Auch der schwerwiegender Nachteil der Giftigkeit des Ammoniaks stellt eine Hürde bei der Markteinführung dar. Die niedrige Geruchsschwelle des Ammoniaks trägt aber dazu bei, dass Unfälle mit Personenschäden beim Umgang damit eher selten sind.

Abgrenzung

Ammoniak kann bei genügend hohen Temperaturen (<700 °C) in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten werden. Der so gewonnene Wasserstoff kann in einer geeigneten Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle umgesetzt werden. Im Gegensatz dazu kann man die hier behandelten Brennstoffzelle, die Ammoniak ohne die vorherige Umsetzung zu Wasserstoff verwerten können, auch als Direkt-Ammoniak-Brennstoffzelle bezeichnen.

Historisches

Eine erste Veröffentlichung mit Daten zu einer Ammoniak-Brennstoffzelle wurde 1968 publiziert. Sie nutzte konzentrierte Kalilauge als Elektrolyt. Später wurden dann auch Festoxid-Brennstoffzellen mit Ammoniak betrieben.

Reaktionsgleichungen

Für die Reaktion in alkalischen Lösungen gelten die Reaktionsgleichungen:

• Anode, Minuspol: ${\ce {2 NH3 + 6OH- -> N2 + 6H2O + 6e-}}$
• Kathode, Pluspol: ${\ce {O2 + 2 H2O + 4 e- -> 4 OH-}}$
• Gesamtreaktion: ${\ce {4 NH3 + 3 O2 -> 2 N2 + 6 H2O}}$

In einer Zelle mit 54% KOH konnte bei einer Stromdichte von 0,4 A/cm² eine Spannung von etwa 0,6 V erhalten werden.

Für die Reaktion in Festoxid-Brennstoffzellen – die Festoxide leiten Oxidionen ${\ce {O2-}}$ – gelten die Reaktionsgleichungen:

• Anode, Minuspol: ${\ce {2 NH3 + 3 O^2- -> N2 + 3 H2O + 6e-}}$.
  Die Reaktion verläuft über Teilschritte:
  • ${\ce {2 NH3 + 5 O^2- -> 2 NO + 3 H2O + 10e-}}$ (⋅3)
  • ${\ce {2 NH3 + 3 NO -> 5/2 N2 + 3 H2O}}$ (⋅2)
• Kathode, Pluspol: ${\ce {O2 + 4 e- -> 2 O^2-}}$
• Gesamtreaktion: ${\ce {4 NH3 + 3 O2 -> 2 N2 + 6 H2O}}$