Direktmethanolbrennstoffzelle

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Die Direktmethanolbrennstoffzelle (engl. Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle mit Zelltemperaturen zwischen 60 und 120 °C. Wie alle Brennstoffzellen wandelt sie chemische Energie in elektrische Energie um. Als Energielieferanten nutzt sie Methanol, den einfachsten Vertreter aus der Stoffgruppe der Alkohole, wobei der Brennstoff zumeist als wässrige Methanollösung zugeführt wird, seltener als gasförmiges Methanol-Wassergemisch. Als kathodisches Oxidationsmittel wird der Brennstoffzelle in der Regel Luft, in Sonderfällen reiner Sauerstoff, zugeführt. Die Trennung der Zellteile (Kathoden- und Anodenraum) erfolgt durch eine spezielle ionendurchlässige Polymermembran, die Protonen-Austausch-Membran (PEM).

Die wichtigsten Anwendungen von Direktmethanolbrennstoffzellen liegen bei der mobilen oder netzunabhängigen Stromversorgung kleiner Elektrogeräte, z. B. beim Camping, für militärische Geräte im Feld oder entlegene Messstationen. Besonders vorteilhaft ist hier an der DMFC, dass sie, in Kombination mit einem Wechselrichter, eine fast lautlose und wartungsarme Alternative für benzin- oder dieselbetriebene Stromaggregate darstellt.

Die theoretische Spannung einer Einzelzelle liegt bei 1,2 V.[1] Die tatsächliche Spannung im Betrieb liegt typischerweise deutlich niedriger, nämlich um 0,5 V.[1] Der Wirkungsgrad wird mit 20 bis 30 % angegeben.[1]

Prinzip[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Direktmethanolbrennstoffzelle

Als Brennstoff dient bei der DMFC Methanol (CH3OH), das – anders als bei der indirekten Methanolbrennstoffzelle ohne vorherige Reformierung – zusammen mit Wasser der Anode zugeführt und dort oxidiert wird. Bei dieser Reaktion entstehen H+-Ionen, freie Elektronen sowie, als Abgas, CO2. Der Kathode wird das Oxidationsmittel (Luft-) Sauerstoff zugeführt, welcher daraufhin mit H+-Ionen unter Aufnahme von Elektronen zu Wasser reagiert.

Problematisch ist bei der DMFC der Umstand, dass Methanol durch die Membran von der Anode zur Kathode wandert, was „Methanol-Cross-Over“ genannt wird. Einerseits tritt dabei ein Brennstoffverlust auf, andererseits wird durch unerwünschte Methanoloxidation an der Kathode das elektrische Potenzial verringert (Mischpotential) und der Zellwirkungsgrad sinkt. Die Reduzierung dieses technischen Problems ist Gegenstand aktueller Forschungen.[2] Durch eine neu entwickelte Kompositmembran des Fraunhofer-Institutes, unter Verwendung von Ethanol als Brennstoff, lässt sich das Cross-Over um den Faktor Hundert verringern (Stand Mai 2009).[3]

Reaktionsgleichungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gleichung
Anode
Minuspol

Oxidation/Elektronenabgabe
Kathode
Pluspol

Reduktion/Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion
Redoxreaktion/Zellreaktion

Der innere Ladungstransport erfolgt durch H+-Ionen. Auf der Anodenseite benötigt die Reaktion Wasser und produziert welches auf der Kathodenseite. Um den Wasserbedarf auf der Anodenseite zu decken, ist ein aufwändiges Wassermanagement erforderlich. Realisiert wird das u. a. durch Rückdiffusion durch die Membran und Befeuchtung der Edukte.

Historisches[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Prinzip der Direktmethanolzelle (DMFC) wurde erstmals 1951 von Karl Kordesch und A. Marko vorgeschlagen, die damals an der Universität Wien arbeiteten. Dabei verwendeten sie allerdings auch andere Alkohole oder Aldehyde als mögliche Brennstoffe.[4] Sie nutzten bereits Elektroden aus Kohlenstoff mit Platin als Katalysator.[5] Die eigentliche Erforschung und Erprobung der DMFC begann in den 1960er Jahren, insbesondere auch durch die Ölfirmen Esso und Shell.[4] Intensiver wurde die Forschung in den 1980er Jahren, als sie z. B. durch die EU gefördert wurde,[4] aber auch durch Hitachi, die ein Golfplatzfahrzeug mit DMFCs ausstatteten. In den 1990er Jahren wurde die DMFC insbesondere im Los Alamos National Laboratory intensiv erforscht.[6] Dabei wurde zunächst auch im Hinblick auf eine Nutzung der Direktmethanolbrennstoffzellen in Elektroautos gearbeitet;[7] im Vergleich zur indirekten, einen Reformer erfordernden Brennstoffzelle, wie sie 1997 im Mercedes-Benz NECAR 3 verwendet wurde, ergibt sich eine einfachere Konstruktion.

In den Jahren von 2000 bis 2010 wurden viele Prototypen kleiner Direktmethanolbrennstoffzellen für Anwendungen in der Mobilelektronik demonstriert, z. B. zur Stromversorgung von Laptops[8], MP3-Spielern[9] oder von Handys[10] bzw. Smartphones[11]. Die Erwartungen auf eine breite Markteinführung erreichten in den Jahren 2005 und 2006 ihren Höhepunkt.[12] Zu den Unternehmen, die solche DMFC-Geräte ankündigten, gehörten auch Motorola sowie die japanischen Elektronikkonzerne Sony, Toshiba, NEC und Fujitsu.[13] Kaum eine dieser Entwicklungen wurden dann tatsächlich vermarktet.[12] Manche, wie z. B. das 2009 erhältliche Ladegerät von Toshiba[14], waren nur kurze Zeit verfügbar. Ein Grund für den mangelnden Erfolg der DMFC für die Mobilelektronik dürfte der sinkende Preis und die zunehmende Leistungsfähigkeit von Lithiumionenbatterien sein, die die Konstruktion besonders kompakter tragbarer Elektronik ermöglicht.

Erfolgreicher als die Versuche, die DMFC für die Elektronik des Heimanwenders zu nutzen,[12] ist die Anwendung der DMFC fern der Stromnetze: Das 2000 gegründete Unternehmen SFC Energy (von 2002 bis 22. Juli 2010 als Smart Fuel Cell GmbH)[15] verkauft DMFC-Stromversorgungen z. B. für den Campingbedarf oder für netzunabhängige Messeinrichtungen. Bis Mai 2017 hat SFC Energy nach eigenen Angaben 36.000 Direktmethanolbrennstoffzellen verkauft.[16] Außer SFC ist nur noch Oorja Protonics, Inc. ein aktiv im DMFC-Markt tätiges Unternehmen.[17]

Sonderformen der Direktmethanolbrennstoffzelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Anstelle des Luftsauerstoffs können auf der Anodenseite auch andere Oxidationsmittel genutzt werden, beispielsweise Salpetersäure oder Wasserstoffperoxid. Das könnte z. B. für Anwendungen unter Wasser sinnvoll sein, da dort der Sauerstoff ohnehin nicht in der Umgebung zur Verfügung steht.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c Peter Kurzweil: Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC). In: Brennstoffzellentechnik. Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen. 2. Auflage. Springer Vieweg Fachmedien Wiesbaden, 2013, ISBN 978-3-658-00084-4, S. 125–142, doi:10.1007/978-3-658-00085-1_5 (springer.com [abgerufen am 18. Juni 2017]).
  2. DMFC, Forschungszentrum Jülich
  3. Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB: Kompositmembran für Brennstoffzelle
  4. a b c D. S. Cameron, G. A. Hards, B. Harrison, R. J. Potter: Direct Methanol Fuel Cells. Recent developments in the search for improved performance. In: Johnson Matthey Plc (Hrsg.): Platinum Metals Review. Band 31, Nr. 4, Oktober 1987, S. 173–181 (englisch, Homepage des Artikels [PDF; 562 kB; abgerufen am 14. Juni 2017] Zusammenfassung der Historie bis 1987): “article is based largely upon a paper given at the CEC-ltalian Fuel Cell Workshop in Taormina, Sicily, in June 1987.”
  5. Angelika Heinzel, Marcella Cappadonia, Ulrich Stimming, Karl V. Kordesch, Julio Cesar Tambasco De Oliveira: Fuel Cells. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag, 2010, doi:10.1002/14356007.a12_055.pub2 (englisch).
  6. Xiaoming Ren, Piotr Zelenay, Sharon Thomas, John Davey, Shimshon Gottesfeld: Recent advances in direct methanol fuel cells at Los Alamos National Laboratory. In: Journal of Power Sources. Band 86, Nr. 1. Elsevier, 1. März 2000, S. 111–116, doi:10.1016/s0378-7753(99)00407-3 (sciencedirect.com [abgerufen am 20. Juni 2017]).
  7. Xiaoming Ren, Mahlon S. Wilson, Shimshon Gottesfeld: On direct and indirect methanol fuel cells for transportation applications. 1. September 1995 (osti.gov [abgerufen am 20. Juni 2017]).
  8. Birgit Niesing: Mini-Stromlieferant mit Methanol. Wie ist der Stand der Dinge bei den Methanol-Zellen? In: Mini-Kraftwerke für Zuhause und unterwegs. scinexx® MMCD NEW MEDIA GmbH, 12. Oktober 2007, abgerufen am 19. Juni 2017: „Dieser Zelltyp lässt sich zum Beispiel im Klappdeckel eines Laptops unterbringen.“
  9. Toshiba's methanol fuel cell. Digital Photography Review DPReview, 24. Juni 2004, abgerufen am 19. Juni 2017: „to power an MP3 music player for as long as 20 hours“
  10. Janko: MTI MicroFuel Cells Mobion – Genug Saft für zehn Handys. In: testberichte.de, Foto, Video & Optik ›Ladegeräte ›USB-Ladegeräte ›MTI MicroFuel Cells Mobion. Producto AG, 11. Dezember 2008, abgerufen am 20. Juni 2017: „soll es ermöglichen, ein Handy bis zu zehnmal hintereinander aufzuladen“
  11. mak: Methanol-Antrieb für Smartphones. Brennstoffzellentechnik. In: Nachrichten > Netzwelt > Gadgets > Toshiba. Spiegel Online GmbH, 22. Oktober 2009, abgerufen am 19. Juni 2017.
  12. a b c Kerry-Ann Adamson: Whatever Happened to Direct Methanol Fuel Cells? In: Navigant Research Blog. Navigant Consulting, Inc, 13. Juni 2012, abgerufen am 19. Juni 2017.
  13. Xianglin Li, Amir Faghri: Review and advances of direct methanol fuel cells (DMFCs) part I: Design,fabrication, and testing with high concentration methanol solutions. In: Journal of Power Sources. Band 226. Elsevier B.V., 2013, 3. Advances in DMFC prototype designs and developments, 3.2. DMFC stack development using high concentration methanol, S. 223–240, doi:10.1016/j.jpowsour.2012.10.061 (englisch, researchgate.net [PDF; abgerufen am 11. November 2016]): “The state-of-the-art DMFC prototypes and products are more competitive than rechargeable batteries, especially in applications such as military uses.”
  14. Toshiba Launches Direct Methanol Fuel Cell in Japan as External Power Source for Mobile Electronic Devices. In: Toshiba Press Releases. Toshiba Corporation, 22. Oktober 2009, abgerufen am 14. Juni 2017 (englisch): „Dynario™, an external power source that delivers power to mobile digital consumer products [...] limited edition of 3,000 units only“
  15. SFC Energy AG: Neue Firmierung: Aus SFC Smart Fuel Cell AG wird SFC Energy AG. DGAP – ein Service der EQS Group AG, 22. Juli 2010, abgerufen am 14. Juni 2017.
  16. SFC Energy erhält Auftrag der Bundeswehr zur Erweiterung von Mobiler Kleinstenergieversorgung (MKEV). In: SFC Pressemeldungen. SFC Energy AG, 30. Mai 2017, abgerufen am 14. Juni 2017.
  17. Oorja Protonics, Inc. Direct Methanol Fuel Cells April 2016

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]