Reformed Methanol Fuel Cell

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Die Indirekte Methanolbrennstoffzelle (IMFC) (engl. Indirect Methanol Fuel Cell), auch Reformer-Methanol-Brennstoffzelle (RMFC) (engl. Reformed Methanol Fuel Cell), ist ein Brennstoffzellensystem, in dem Methanol in einem Reformer zu Wasserstoff-haltigem Gas reformiert wird und dieses Gas dem Brennstoffzellen-Stack (Zellstapel) zugeführt wird.[1][2] RMFC Systeme haben mehrere Vorteile gegenüber Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC), wie einen deutlich höheren elektrischen Wirkungsgrad, geringere Stack-Kosten und die Beständigkeit gegenüber Temperaturen unter 0 °C. Der höhere elektrische Wirkungsgrad im Vergleich zur DMFC ist dadurch begründet, dass nicht das Methanol, sondern der aus dem Methanol gebildete Wasserstoff in der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) verstromt wird und die Anodenüberspannung der katalytischen Zersetzung von Wasserstoff deutlich geringer ist als die Anodenüberspannung bei der Zersetzung von Methanol.[3]

Methanol wird als Brennstoff verwendet, da es im Gegensatz zu anderen Kohlenwasserstoffen bei Temperaturen unter 280 °C effizient zu wasserstoff-haltigem Reformatgas reformiert werden kann.[4] Des Weiteren ist Methanol sehr kostengünstig (Großmengenpreis ab 0,23 Euro/L[5][6]) im Vergleich zu anderen Brennstoffen wie Ethanol oder Wasserstoff, weist prozessbedingt üblicherweise eine hohe Reinheit auf,[7] kann einfach gelagert werden[4] und kann darüber hinaus aus Hausmüll, Biomasse oder CO2 einfach regenerativ erzeugt werden.[4][8][9]

Lagerung und Brennstoff-Kosten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Methanol kann beispielsweise in Tanks, Kanistern, Fässern oder IBC-Containern gelagert werden. Je nach Systemdesign der RMFC kann entweder 100%iges Methanol (nach dem Industriestandard IMPCA der Reinheit von über 99,85 %[7]) oder eine Mischung aus Methanol und Wasser (z. B. 40 vol% Wasser) verwendet werden.[4] Die Verwendung von hundertprozentigem Methanol hat den Vorteil, dass der Brennstoffverbrauch geringer ist als bei einer Mischung aus Methanol und Wasser. Allerdings ist die Komplexität des Systemdesigns bei einem mit hundertprozentigem Methanol betriebenen Brennstoffzellensystem höher, da der an der Kathode gebildete Wasserdampf auskondensiert werden muss.

Vergleich des Energieinhalts von Methanol mit Wasserstoff: ein Kanister mit 6 Liter Methanol (Gewicht ca. 5 kg) hat etwa denselben Energieinhalt wie eine 200 bar Wasserstoff-Gasflasche mit einem Behälter-Volumen von ca. 55 L bei einem Gewicht von 70 kg.[10][11]

Der Nettopreis für Methanol, geliefert in einem IBC, beträgt ab etwa 0,45 EUR/L. Die Brennstoffkosten pro elektrischer Kilowattstunde für RMFC-Systeme betragen üblicherweise etwa 0,25–0,93 EUR/kWh (konventionelles Methanol) bzw. 0,38–1,10 EUR/kWh (Bio-Methanol produziert aus Hausmüll[8] oder e-Methanol produziert aus erneuerbarem Strom[9]) bei Lieferung im Fass oder IBC. Im Vergleich dazu betragen die Wasserstoff-Kosten für eine mit Wasserstoff (z. B. Reinheit größer als 99,95 %) betriebene Polymerelektrolytbrennstoffzelle ca. 3,8–8,5 EUR/kWh (bei Lieferung im Bündel zu je 12 Flaschen mit 200 bar inkl. Flaschenmiete).

Reformer[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Reformer wird üblicherweise ein kupferbasierter Methanol-Reformer verwendet.[4][12] Auch der Einsatz von edelmetallbasierten Reformern ist möglich.[12]

Der Reformer besteht aus einem hitzebeständigen Behälter, der Reformer-Katalysator enthält (z. B. Schüttgut-Pellets) und bei einer Temperatur von 200 bis 300 °C gehalten wird.[4][13] Bei Verwendung der Wasserdampf-Reformierung wird eine gasförmige Methanol-Wasser-Mischung dem Reformer zugeführt. Das Methanol wird hierbei üblicherweise komplett zu Wasserstoff, CO2 und ggf. einem geringen Anteil an CO umgewandelt. Je nach Systemdesign kann die Kohlenmonoxid-Konzentration vor dem Stack in der Reformereinheit oder im Abgas reduziert oder katalytisch beseitigt werden.

Brennstoffzelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Brennstoffzelle wird üblicherweise eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle oder eine Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle verwendet.[4]

Wirkungsgrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der elektrische Balance-of-Plant-System-Wirkungsgrad für Reformer-Methanol-Brennstoffzellensysteme beträgt üblicherweise zwischen 35 und 50 % und kann je nach Systemdesign und Betriebsbedingungen bis zu etwa 55 % erreichen.[4] Für den elektrischen Zell-Wirkungsgrad können bis zu 63 % erreicht werden. Wird die Abwärme der Brennstoffzelle genutzt, so kann ein Gesamt-Wirkungsgrad von 85 bis 90 % erreicht werden.[14]

Unterschiede zur Direktmethanolbrennstoffzelle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Während bei der Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) eine flüssige Methanol-Wasser-Mischung durch die Anode des Brennstoffzellen-Stacks geführt wird, wird bei der Reformer-Methanol-Brennstoffzelle ein wasserstoff-haltiges Gas durch die Anode des Brennstoffzellen-Stacks geführt. Im Gegensatz zur DMFC ist das Systemdesign der RMFC komplexer, weshalb DMFC-Systeme insbesondere für eine Brennstoffzellensystem-Leistung bis etwa 0,3 kW geeignet sind und RMFC-Systeme für eine Brennstoffzellensystem-Leistung ab etwa 0,3 kW.

Vorteile der RMFC gegenüber der DMFC:

  • Höherer elektrischer System-Wirkungsgrad von methanol-betriebenen HT-PEM-Brennstoffzellensystemen (30 bis 50 %) im Vergleich zur DMFC (20 bis 30 %). Geringer Methanol-Verbrauch.
  • Bessere UI-Kennlinie als bei der DMFC.
  • Kalte Lagertemperaturen unter 0 °C sind nicht problematisch (insbesondere bei RMFC mit HT-PEM-Brennstoffzelle) im Vergleich zur DMFC, bei der die Membran durch Bildung von Wasserkristallen zerstört werden kann.
  • Geringerer Platin-Gehalt in der Membran-Elektroden-Einheit (MEA)
  • Keine hohe Reinheit des Methanols für methanolbetriebene HT-PEM -Brennstoffzellensysteme nötig im Vergleich zu Direktmethanolbrennstoffzellen. Verwendung von kostengünstigem Industrie-Methanol möglich.
  • Höhere Lebensdauer von methanolbetriebenen HT-PEM-Brennstoffzellensystemen als von DMFC-Systemen ist möglich.[15]
  • Kein Methanol-Crossover durch die Membran, der bei der DMFC die Lebensdauer, die Systemeffizienz, die Schadgasemission und die Systemkomplexität negativ beeinflusst[16]

Entwicklungsstand und Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

RMFC-Systeme werden sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen genutzt. Beispielsweise dienen sie als Backup-Power, Notstromversorgung, Auxiliary Power Unit (APU) oder als Batterie Range-Extender (Elektrofahrzeuge, Schiffe).[4][17] Die meisten RMFC Systeme haben eine Leistung zwischen 0,1 kW und 100 kW[18]. In Abhängigkeit vom Systemdesign kann die Brennstoffzellen-Abwärme genutzt werden, wobei ein Gesamt-Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems von 85 bis 90 % erreicht werden kann.[19]

Im Gegensatz zu Diesel- oder Benzin-Generatoren ist das Wartungsintervall für RMFC-Systeme üblicherweise deutlich höher, da keine Ölfilter oder weitere motorspezifische Service-Teile ausgetauscht werden müssen. Deshalb werden RMFC-Systeme in Offgrid-Anwendungen (z. B. Autobahnmeistereien) oder an entlegenen Orten (z. B. Telecom[4], BOS-Funk, Berghütten) gegenüber Dieselgeneratoren oft bevorzugt. Darüber hinaus sind RMFC-Systeme besser als Diesel-Generatoren für kalte Umgebungsbedingungen geeignet, da Methanol einen niedrigen Gefrierpunkt aufweist (Gefrierpunkt von reinem Methanol −97 °C, Winterdiesel kann ab −6 °C ausflocken[20]) und RMFC-Systeme unter Verwendung des HT-PEM Brennstoffzellentyps selbst Abwärme zum Start und Betrieb generieren.

Auch die biologische Abbaubarkeit von Methanol[21], die Möglichkeit erneuerbares Methanol zu verwenden[22], die geringen Brennstoffkosten, ohne Emission von Feinstaub bzw. NOx, die geringe Lautstärke sowie der geringe Brennstoff-Verbrauch (langes Brennstoffversorgungsintervall) werden als positiv angesehen.

Der elektrische Sportwagen RG Nathalie enthält laut Hersteller die RMFC-Technologie.[23]

Firmen, die den Einsatz der RMFC-Technologie angeben
Unternehmen Land Brennstoffzellentyp (Stack) Brennstoff
Blue World Technologies ApS Dänemark HT-PEM Methanol-Wasser-Mischung[24], 100 % Methanol (in Entwicklung)[25]
CHEM Taiwan PEM Methanol-Wasser-Mischung
SerEnergy AS Dänemark HT-PEM Methanol-Wasser-Mischung (40:60)[26]
Siqens GmbH Deutschland HT-PEM 100 % Methanol (IMPCA)[27]
UltraCell LLC USA Methanol-Wasser-Mischung

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. S. R. Narayan, Thomas I. Valdez: High-Energy Portable Fuel Cell Power Sources. In: The Electrochemical Society Interface. Band 17, Nr. 4, 1. Dezember 2008, ISSN 1944-8783, S. 40, doi:10.1149/2.F05084IF (iop.org [abgerufen am 3. Juli 2021]).
  2. Kristian Kjær Justesen: Reformed Methanol Fuel Cell Systems - and their use in Electric Hybrid Systems. Department of Energy Technology, Aalborg University, 2015, ISBN 978-87-92846-72-3 (aau.dk [abgerufen am 3. Juli 2021]).
  3. A miniature fuel reformer system for portable power sources. In: Journal of Power Sources. Band 271, 20. Dezember 2014, ISSN 0378-7753, S. 392–400, doi:10.1016/j.jpowsour.2014.08.021 (sciencedirect.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  4. a b c d e f g h i j Samuel Simon Araya, Vincenzo Liso, Xiaoti Cui, Na Li, Jimin Zhu: A Review of The Methanol Economy: The Fuel Cell Route. In: Energies. Band 13, Nr. 3, 2020, S. 596, doi:10.3390/en13030596 (mdpi.com [abgerufen am 3. Juli 2021]).
  5. Methanol Price and Supply/Demand. Abgerufen am 4. Juli 2021.
  6. Methanex Monthly Average Regional Posted Contract Price History. Methanex, abgerufen am 13. Juli 2021.
  7. a b IMPCA Documents. IMPCA, abgerufen am 11. Juli 2021.
  8. a b Renewable Methanol Report. Methanol Institute, abgerufen am 4. Juli 2021.
  9. a b Innovation Outlook Renewable Methanol. IRENA, abgerufen am 5. Juli 2021.
  10. Heat of combustion. Engineering Toolbox, abgerufen am 11. Juli 2021.
  11. Produktdatenblatt Wasserstoff 5.0. Linde, abgerufen am 11. Juli 2021.
  12. a b Joan Papavasiliou, Alexandra Paxinou, Grzegorz Słowik, Stylianos Neophytides, George Avgouropoulos: Steam Reforming of Methanol over Nanostructured Pt/TiO2 and Pt/CeO2 Catalysts for Fuel Cell Applications. In: Catalysts. Band 8, Nr. 11, 2018, S. 544, doi:10.3390/catal8110544 (mdpi.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  13. Sandra Sá, José M. Sousa, Adélio Mendes: Steam reforming of methanol over a CuO/ZnO/Al2O3 catalyst, part I: Kinetic modelling. In: Chemical Engineering Science. Band 66, Nr. 20, Oktober 2011, S. 4913–4921, doi:10.1016/j.ces.2011.06.063 (elsevier.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  14. E. Romero-Pascual, J. Soler: Modelling of an HTPEM-based micro-combined heat and power fuel cell system with methanol. In: International Journal of Hydrogen Energy. Band 39, Nr. 8, März 2014, S. 4053–4059, doi:10.1016/j.ijhydene.2013.07.015 (elsevier.com [abgerufen am 25. Juli 2021]).
  15. Polymer Electrolyte Fuel Cell Durability. Springer New York, New York, NY 2009, ISBN 978-0-387-85534-9, doi:10.1007/978-0-387-85536-3 (springer.com [abgerufen am 25. Juli 2021]).
  16. Samuel Simon Araya, Vincenzo Liso, Xiaoti Cui, Na Li, Jimin Zhu: A Review of The Methanol Economy: The Fuel Cell Route. In: Energies. Band 13, Nr. 3, 2020, S. 596, doi:10.3390/en13030596 (mdpi.com [abgerufen am 16. Juli 2021]).
  17. Control and experimental characterization of a methanol reformer for a 350 W high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell system. In: International Journal of Hydrogen Energy. Band 38, Nr. 3, 6. Februar 2013, ISSN 0360-3199, S. 1676–1684, doi:10.1016/j.ijhydene.2012.09.032 (sciencedirect.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  18. Samuel Simon Araya: High Temperature PEM Fuel Cells - Degradation and Durability. Department of Energy Technology, Aalborg University, 2012, ISBN 978-87-92846-14-3 (aau.dk [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  19. Modelling of an HTPEM-based micro-combined heat and power fuel cell system with methanol. In: International Journal of Hydrogen Energy. Band 39, Nr. 8, 6. März 2014, ISSN 0360-3199, S. 4053–4059, doi:10.1016/j.ijhydene.2013.07.015 (sciencedirect.com [abgerufen am 16. Juli 2021]).
  20. Wenn im Winter der Dieselmotor streikt. ÖAMTC, abgerufen am 11. Juli 2021.
  21. About Methanol. Abgerufen am 4. Juli 2021.
  22. Janusz Kotowicz, Mateusz Brzęczek: Liquid methanol energy storage technology. In: Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie. nr 63 (135), 2020, ISSN 1733-8670, doi:10.17402/438 (edu.pl [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  23. Gumpert supercar with methanol fuel cell ready for production. In: Fuel Cells Bulletin. Band 2020, Nr. 6, 1. Juni 2020, ISSN 1464-2859, S. 2, doi:10.1016/S1464-2859(20)30224-8 (sciencedirect.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  24. https://www.blue.world/knowledge-centre/
  25. Blue World Technologies Methanol Vehicles Exhibition. Abgerufen am 4. Juli 2021.
  26. https://www.serenergy.com/fuel-mix/
  27. SIQENS Ecoport 800. Abgerufen am 4. August 2021.