Fährt das Auto der Zukunft mit Methanol?
Direkt-Methanolbrennstoffzelle für mobile Antriebe
Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie durch elektrochemische Oxidation von chemischen Substanzen wie z.B. Wasserstoff. Im Unterschied zu Batterien und Akkumulatoren werden bei Brennstoffzellen die Edukte und Produkte der elektrochemischen Umsetzung kontinuierlich zu- und abgeführt.
Für zukünftige automobile Antriebe wird gegenwärtig der Einsatz von Direkt-Methanolbrennstoffzellen (DMBZ) diskutiert. Dieser Brennstoffzellentyp ermöglicht die Gewinnung elektrischer Energie durch direkte elektrochemische Oxidation von Methanol zu Kohlendioxid an der Anode der Brennstoffzelle. Die Arbeitstemperaturen liegen im Bereich von 80 °C bis 120 °C. Die bei der Oxidation freigesetzten Protonen werden durch eine elektrisch leitfähige Membran (englisch: Proton Exchange Membrane, PEM) zur kathodischen Elektrode der Brennstoffzelle transportiert. Dort werden die Protonen bei der elektrochemischen Reduktion von Luftsauerstoff zu Wasser verbraucht. Neben den Protonen werden an der Anode Elektronen erzeugt, die getrennt von den Protonen über einen externen Stromkreis zur Kathode fließen. Dieser Elektronenfluß erlaubt den Betrieb eines elektrischen Fahrzeugmotors. In der Abbildung ist das Funktionsprinzip der Brennstoffzelle veranschaulicht.
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Funktionsprinzip der Direkt-Methanolbrennstoffzelle. |
Im Gegensatz zu etablierten Brennstoffzellenkonzepten auf der Basis von Wasserstoff entfällt bei der DMBZ die Reformierung des Methanols zu Wasserstoff in einem separaten Aggregat an Bord des Fahrzeugs. Durch die Einsparung dieses vorgeschalteten Reformers kann der Systemaufbau drastisch vereinfacht werden und zudem kann ein besseres dynamisches Ansprechverhalten des Antriebssystems erzielt werden. Trotz dieser Vorteile einer direkten Verstromung von Methanol gibt es eine ganze Reihe verfahrens- und reaktionstechnischer Probleme, die es zu überwinden gilt, um ein DMBZ-Antriebssystem in der Praxis erfolgreich einsetzen zu können. So wird die Reaktionskinetik der anodischen Methanoloxidation an den heute verwendeten Platinum-Ruthenium-Katalysatoren durch die Bildung schwer oxidierbarer Zwischenprodukte stark beeinträchtigt. Weiterhin sind die am Markt gegenwärtig verfügbaren Membranmaterialien für Methanol durchlässig, so daß es zum unerwünschten Durchtritt des Methanols durch die Membran zur Kathode kommt ("Methanol-Crossover"). Zudem werden beim Betrieb der Zelle mit flüssigen Methanol/Wasser-Mischungen infolge des Überschreitens der Löslichkeitsgrenze des erzeugten Kohlendioxids an der Anode Blasen beobachtet. Die für die Methanol-Umsetzung wirksame Anodenoberfläche wird durch diesen Ausgaseffekt signifikant reduziert.
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Stationäre Strom-Spannungskennlinien für verschiedene Methanolkonzentrationen. |
In Kooperation mit der University of Newcastle-upon-Tyne, Großbritannien, wurden erste Studien zum Einfluß der verschiedenen Prozeßparameter auf das stationäre Betriebsverhalten an einem DMBZ-Prüfstand durchgeführt. Im Diagramm sind ausgewählte gemessene und modellierte Strom-Spannungskennlinien einer solchen Zelle für verschiedene Konzentrationen des Brennstoffs Methanol dargestellt. Die S-förmige Kurve für die Betriebscharakteristik ergibt sich aus dem Übergang vom reaktionskinetisch kontrollierten zum diffusionskontrollierten Betriebsregime. Ziel der weiterführenden Untersuchungen des Lehrstuhls für Systemverfahrenstechnik ist die Formulierung und experimentelle Gültigkeitsprüfung detaillierter Prozeßmodelle zur adäquaten Beschreibung der beteiligten Reaktions- und Transportmechanismen und ihres komplexen Zusammenwirkens in den verschiedenen Reaktionsräumen einer Brennstoffzelle. Aufbauend auf Untersuchungen an einzelnen Zellen soll dann das stationäre und dynamische Verhalten eines gesamten Brennstoffzellensystems, bestehend aus mehreren hundert Zellen und peripheren Aggregaten, erforscht werden.