Ist das Prinzip der DMFC (Direktmethanol-Brennstoffzelle) umkehrbar?

Question

Zur Wasserstoff-Brennstoffzelle ist die Umkehrung einfach die Elektrolyse von Wasser. Momentan wird an der Direktmethanol-Brennstoffzelle geforscht. Ist zu dieser eine entsprechende Umkehrung denkbar? Der Vorteil wäre, elektrische Energie in den leicht zu speichernden Treibstoff Methanol umwandeln zu können.

Answer 1

Hallo,

Da ich Chemie studiert habe und auf dem Gebiet der Katalyse geforscht habe, kann ich etwas dazu sagen.

Die Umkehrung des DMFC-Prinzip, eine Herstellung von Methanol aus Wasser und Kohlendioxid ist zwar denkbar, denn theoretisch sind alle chemischen Reaktionen umkehrbar. Aber sie ist weitaus schwieriger zu realieren als die Zersetzung von Wasser.

Ein entscheidendes Problem wird unter anderem das der Selektivitaet sein. Angenommen, wir bringen CO2 und H2O im richtigen stoichiometrischen Verhaeltnis zusammen (1:2) und stecken elektrische (oder andere Formen von) Energie hinein, dann kann - thermodynamisch gesehen - sehr wohl eine Mischung aus Methanol und Sauerstoff entstehen.
Es kann aber auch genauso gut eine Mischung aus Methan (CH4) und Sauerstoff entstehen, was unter Umstaenden thermodynamisch sogar guenstiger ist. [Und hat man erst einmal Methan produziert, dann hat man ein Problem, denn eine effiziente Umwandlung von Methan in Methanol ist keine triviale Angelegenheit, sowohl elektrolytisch als auch mit anderen Mitteln.]
Andere denkbare Nebenprodukte waeren uebrigens Ameisensaeure (HCOOH) und Formaldehyd (H2CO). Die Moeglichkeit der Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen macht die Sache noch unuebersichtlicher.

Im vergleich dazu ist bei der Zerstetzung von Wasser lediglich Wasserstoffperoxid (H2O2) als ernstzunehmendes Zwischen- oder Nebenprodukt moeglich.

Betrachten wir die elektrolytischen Zersetzung von Wasser. An der Anode werden Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen geloest, Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen geknuepft und Protonen (H+) gebildet. [Moeglich, dass Wasserstoffperoxid (H2O2) gebildet werden kann. Aber auch dieser Stoff kann an der Anode zu Sauerstoff umgewandelt werden.]
An der Kathode werden die Protonen dann zu Wasserstoff-Atomen (H) reduziert, denen nichts anderes uebrig bleibt, als Wasserstoff-Wasserstoff-Bindungen auszubilden [Kein Selektivitaetsproblem!].

Kommen wir nun zum DMFC-Prinzip [Gutes Schema unter http://www.dmfc.com/index.php?option=com_content&task=view&id=12&Itemid=46]. Die Umkehrung der Kathode (Sauerstoff-Reduktion zu Wasser) in eine Anode (Bildung von Sauerstoff) duerfte kein groesseres Problem darstellen.
Aber Umkehrung der Anode (Methanol-Oxidation) in die Kathode (CO2-Reduktion zu Methanol) ist sehr wohl problematisch. Die Anode muesste so beschaffen sein, dass an ihr zwar Wasserstoff-Atome gebildet werden koennen, aber eine anschliessende Wasserstoffbildung unterbunden werden muss. Hier sollen ja schliesslich Kohlenstoff-Wasserstoff und Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen gebildet werden.
Ausserdem muss im Kohlendioxid eine Kohlenstoff-Saustoff-Bindung gebrochen werden. Aber bitte nicht gleich beide, denn dann hat man Kohlenstoff-Atome, und die koennen zusammen mit Wasserstoff-Atomen Methan bilden. Oder es kann zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen kommen.

Es ist also um einiges komplizierter, Methanol elektrolytisch herzustellen, als Wasser elektrolytisch zu zersetzen. Ob es ueberhaupt moeglich ist, steht in den Sternen.

mfg

AR V