Direktmethanolbrennstoffzelle
Die Direktmethanolbrennstoffzelle (engl. Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle, die bei einer Temperatur von ca. 90 – 120 °C arbeitet. Als Elektrolyt verwendet dieser Zellentyp eine Polymermembran (PEM). Ein alternativer Ansatz verwendet statt der zweidimensionalen Polymermembran als Reaktionsfläche eine 3D-Architektur aus porösem Silizium als Elektrolyt, mittels derer bei gleichzeitiger Platzersparnis eine größere Reaktionsfläche erzielt wird. Diese Technologie mit Betriebstemperaturen von 25 – 50 °C steht ebenfalls kurz vor der Marktreife, und ist zunächst für den Einsatz als militärische Feldbatterie und in weiterer Folge im Bereich Unterhaltungselektronik, beispielsweise in Laptops vorgesehen.
Prinzip
Als Brennstoff dient bei der DMFC Methanol (CH3OH), das ohne vorherige Reformierung zusammen mit Wasser direkt der Anode zugeführt und dort oxidiert wird. An der Anode entsteht als Abgas CO2. Der Kathode kann als Oxidationsmittel Luftsauerstoff zugeführt werden. Der Sauerstoff reagiert dort mit H+-Ionen und Elektronen zu Wasser.
Problematisch ist bei der DMFC, dass Methanol durch die Membran von der Anode zu Kathode wandert. Einerseits tritt dabei ein Verlust des Brennstoffs auf, andererseits wird so auch das elektrische Potenzial minimiert und der Zellenwirkungsgrad sinkt. Die Reduzierung dieses technischen Problems ist Gegenstand aktueller Forschungen.[1] Durch eine neu entwickelte Kompositmembran des Fraunhofer-Institutes lässt sich, bei Verwendung von Ethanol als Brennstoff, das Cross-Over (Wanderung des Brennstoffs durch die Polymermembran) um den Faktor Hundert verringern (Stand Mai 2009). [2]
Reaktionsgleichungen
| Gleichung | |
|---|---|
| Anode | $ \mathrm {CH_{3}OH+H_{2}O\to 6\ H^{+}+6\ e^{-}+CO_{2}} $ Oxidation/Elektronenabgabe |
| Kathode | $ \mathrm {3\ O_{2}+12\ H^{+}+12\ e^{-}\to 6\ H_{2}O} $ Reduktion/Elektronenaufnahme |
| Gesamtreaktion | $ \mathrm {2\ CH_{3}OH+3\ O_{2}\to 4\ H_{2}O+2\ CO_{2}} $ Redoxreaktion/Zellreaktion |
Der innere Ladungstransport erfolgt mittels 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 dies u. a. durch Rückdiffusion durch die Membran und Befeuchtung der Edukte.