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Direktmethanolbrennstoffzelle
Wie alle Brennstoffzellen wandelt auch die DMFC chemische Energie in elektrische Energie um. Die theoretische Spannung einer Einzelzelle liegt bei 1,2 V …
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Grundidee und Aufbau
Die Direktmethanolbrennstoffzelle, englisch Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), ist eine Brennstoffzelle, die Methanol als Brennstoff nutzt. Sie arbeitet bei vergleichsweise niedrigen Zelltemperaturen zwischen 60 und 120 °C. Meist wird Methanol als wässrige Methanollösung eingesetzt, seltener als gasförmiges Methanol-Wasser-Gemisch.
Wie alle Brennstoffzellen wandelt die DMFC chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Dabei wird der Brennstoff nicht verbrannt, sondern elektrochemisch umgesetzt. Als Oxidationsmittel an der Kathode wird in der Regel Luft zugeführt; in Sonderfällen kann auch reiner Sauerstoff verwendet werden. Anode und Kathode sind durch eine spezielle ionendurchlässige Polymermembran getrennt, die Protonen-Austausch-Membran (PEM). Diese Membran lässt Protonen, also H+-Ionen, passieren, trennt aber die Reaktionsräume.
Methanolbrennstoffzellen werden unter anderem als effiziente Energiewandler in einer hypothetischen Methanolwirtschaft betrachtet. In der Praxis sind sie besonders für kleine, mobile oder netzunabhängige Stromversorgungen interessant.
Funktionsweise
Der Brennstoff Methanol hat die Formel CH3OH beziehungsweise die Summenformel CH4O und ist der einfachste Alkohol. Bei der Direktmethanolbrennstoffzelle wird Methanol im Gegensatz zur indirekten Methanolbrennstoffzelle ohne vorherige Reformierung direkt mit Wasser der Anode zugeführt. Reformierung bedeutet, dass ein Brennstoff vorher in ein anderes Gasgemisch umgewandelt wird; dieser zusätzliche Schritt entfällt bei der DMFC.
An der Anode wird Methanol oxidiert. Oxidation bedeutet hier, dass Elektronen abgegeben werden. Dabei entstehen H+-Ionen, freie Elektronen und als Abgas CO2. Die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis und liefern elektrische Energie. An der Kathode wird Sauerstoff zugeführt. Dort reagiert er mit H+-Ionen unter Aufnahme von Elektronen zu Wasser.
Die theoretische Spannung einer Einzelzelle liegt bei 1,2 V. Im tatsächlichen Betrieb ist die Spannung typischerweise deutlich niedriger und liegt etwa bei 0,5 V. Der Wirkungsgrad wird mit 20 bis 30 % angegeben.
Ein zentrales technisches Problem ist der sogenannte Methanol-Cross-Over: Methanol wandert durch die Membran von der Anode zur Kathode. Dadurch geht Brennstoff verloren. Außerdem kann Methanol an der Kathode unerwünscht oxidiert werden, wodurch das elektrische Potenzial verringert wird; dieses Mischpotential senkt den Zellwirkungsgrad. Die Verringerung dieses Problems ist Gegenstand der Forschung. Eine 2009 entwickelte Kompositmembran des Fraunhofer-Institutes konnte bei Verwendung von Ethanol als Brennstoff das Cross-Over um den Faktor Hundert verringern.
Reaktionen und Wasserhaushalt
Die Anodenreaktion lautet: CH3OH + 7 H2O → 6 H3O+ + 6 e− + CO2. Dabei findet Oxidation statt, also Elektronenabgabe in die Elektrode. Die Anode ist der Minuspol.
Die Kathodenreaktion lautet: O2 + 4 H3O+ + 4 e− → 6 H2O. Dabei findet Reduktion statt, also Aufnahme von Elektronen aus der Elektrode. Die Kathode ist der Pluspol.
Die Gesamtreaktion der Zelle lautet: 2 CH3OH + 3 O2 → 4 H2O + 2 CO2. Es handelt sich um eine Redoxreaktion beziehungsweise Zellreaktion, also um eine gekoppelte Oxidation und Reduktion.
Der innere Ladungstransport erfolgt durch H+-Ionen. Auf der Anodenseite benötigt die Reaktion Wasser, während auf der Kathodenseite Wasser entsteht. Deshalb kann ein aufwändiges Wassermanagement nötig sein, damit die Anode ausreichend Wasser erhält. Dies kann unter anderem durch Rückdiffusion durch die Membran und durch Befeuchtung der Edukte erfolgen. Eine andere Möglichkeit ist, im Brennstofftank statt reinem Methanol ein fertiges Methanol-Wasser-Gemisch zu speichern. Das verringert zwar die Energiedichte, vereinfacht aber das System beträchtlich.
Entwicklung
Das Prinzip der Direktmethanolzelle wurde 1951 von Karl Kordesch und A. Marko an der Universität Wien vorgeschlagen. Sie betrachteten dabei auch andere Alkohole oder Aldehyde als mögliche Brennstoffe und nutzten bereits Elektroden aus Kohlenstoff mit Platin als Katalysator. Ein Katalysator ist ein Stoff, der eine Reaktion ermöglicht oder beschleunigt, ohne dabei dauerhaft verbraucht zu werden.
Die eigentliche Erforschung und Erprobung der DMFC begann in den 1960er Jahren, unter anderem durch die Ölfirmen Esso und Shell. Brennstoffzellen wurden durch das Apollo-Raumprogramm der USA allgemein bekannter; dort wurden allerdings Zellen mit tiefgekühltem flüssigem Wasserstoff eingesetzt.
In den 1980er Jahren nahm die Forschung zur DMFC zu, zum Beispiel durch Förderung der EU und durch Entwicklungen bei Hitachi, das ein Golfplatzfahrzeug mit DMFCs ausstattete. In den 1990er Jahren wurde die DMFC besonders im Los Alamos National Laboratory untersucht. Dabei ging es zunächst auch um die mögliche Nutzung in Elektroautos. Gegenüber indirekten Methanolbrennstoffzellen mit Reformer, wie sie 1997 im Mercedes-Benz NECAR 3 verwendet wurden, bietet die DMFC eine einfachere Konstruktion.
Zwischen 2000 und 2010 wurden viele Prototypen kleiner DMFCs für Mobilelektronik gezeigt, etwa zur Stromversorgung von Laptops, MP3-Spielern, Handys oder Smartphones. Die Erwartungen an eine breite Markteinführung erreichten 2005 und 2006 ihren Höhepunkt. Firmen wie Motorola, Sony, Toshiba, NEC und Fujitsu kündigten Geräte an. Nur wenige Entwicklungen wurden tatsächlich vermarktet; ein 2009 erhältliches Ladegerät von Toshiba war nur kurze Zeit verfügbar. Ein Grund für den geringen Erfolg in der Mobilelektronik dürfte der sinkende Preis und die steigende Leistungsfähigkeit von Lithiumionenbatterien gewesen sein.
Erfolgreicher ist die netzunabhängige Anwendung. Das 2000 gegründete Unternehmen SFC Energy, von 2002 bis 22. Juli 2010 Smart Fuel Cell GmbH, verkauft DMFC-Stromversorgungen zum Beispiel für Campingbedarf und netzunabhängige Messeinrichtungen. Bis 2022 hat SFC Energy nach eigenen Angaben mehr als 60.000 Direktmethanolbrennstoffzellen verkauft. Neben SFC wird Oorja Protonics, Inc. als weiteres aktiv im DMFC-Markt tätiges Unternehmen genannt.
Einsatzgebiete
Die wichtigste Anwendung der DMFC ist die mobile oder netzunabhängige Stromversorgung kleiner Elektrogeräte. Beispiele sind Camping, militärische Geräte im Feld und entlegene Messstationen. In solchen Situationen ist die DMFC vorteilhaft, weil sie zusammen mit einem Wechselrichter eine fast lautlose und wartungsarme Alternative zu benzin- oder dieselbetriebenen Stromerzeugungsaggregaten sein kann.
Besonders geeignet ist die DMFC bei einer Brennstoffzellen-Leistung unter etwa 0,3 kW. Bei Leistungen über 0,3 kW ist die indirekte Methanolbrennstoffzelle kostengünstiger und effizienter. Ein Nachteil gegenüber der indirekten Methanolbrennstoffzelle besteht bei kalten Umgebungstemperaturen: Wegen der flüssigen Methanol-Wasser-Mischung im DMFC-Stack kann Frost für die Membran problematisch sein.
Als Sonderform können an der Kathode statt Luftsauerstoff auch andere Oxidationsmittel verwendet werden, zum Beispiel Salpetersäure oder Wasserstoffperoxid. Das kann für Anwendungen unter Wasser sinnvoll sein, weil dort Sauerstoff nicht oder nur in zu geringen Anteilen verfügbar ist.
Stärken und Grenzen
Vorteile der Direktmethanolbrennstoffzelle sind der einfache, kompakte Aufbau und die schnelle Anlaufzeit im Minutenbereich. Da Methanol direkt in die elektrochemische Zelle gebracht wird, muss im Unterschied zur Reformer-Methanol-Brennstoffzelle (RMFC) kein Reformer erst auf Betriebstemperatur gebracht und kein Methanol darin reformiert werden.
Zu den Nachteilen gehören der geringe Wirkungsgrad von 20 bis 30 % und die begrenzte Lebenszeit des Systems. Diese wird mit typisch 3000 bis 10.000 Betriebsstunden angegeben. Eine Ursache der begrenzten Lebenszeit ist die zunehmende Schädigung, also Degradation, des Katalysators. Platinbasierte Katalysatoren können beispielsweise durch Kohlenmonoxid (CO) vergiftet werden.
