zum Directory-modus

Tutorial MenueElektrolyseur und Brennstoffzelle im UnterrichtLerneinheit 7 von 7

Versuch zur Leistung der Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Brennstoffzelle mit flüssigem Brennstoff: Beispiel Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Abb.1
Schematischer Aufbau und Reaktionsschema einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH

Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, auch kurz DM-Brennstoffzelle oder DMFC (von englisch Direct Methanol Fuel Cell) genannt, ist ein Spezialfall der PEM-Brennstoffzelle. Beide sind ähnlich aufgebaut: Zwei Elektroden werden durch eine Membran getrennt, die als fester Elektrolyt fungiert. Sie leitet Protonen, lässt aber keine Elektronen durch.

Anwendungen für die DMFC sind die Stromversorgung für Elektroantriebe, tragbare Stromversorgungen und der Batterieersatz.

In der DMFC wird als Brennstoff Methanol (CH3OH) genutzt. Der Vorteil ist dabei, dass Methanol bei Temperaturen von 97 bis 64°C (bei 1.013hPa) flüssig ist. Handhabung, Speicherung und Transport sind daher ähnlich wie bei herkömmlichen flüssigen Brennstoffen - z.B. Benzin oder Diesel - und nicht so kompliziert wie bei Brenngasen, die mit hohen Drücken und/oder bei tiefen Temperaturen gespeichert werden müssen.

Zum Nachteil der DMFC wirkt sich aus, dass Methanol giftig und korrosiv ist und bei der kalten Verbrennung in der Zelle das Treibhausgas Kohlendioxid entsteht. Außerdem hat dieser Brennstoffzellen-Typ nur einen geringen elektrischen Wirkungsgrad, weil ein Teil des Methanols durch die Membran von der Anode zur Kathode wandert (Methanol-Crossover). Dadurch verliert man nicht nur einen Teil des Brennstoffs, sondern an der Kathode bildet sich auch ein Mischpotenzial, das zu einer reduzierten Zellspannung führt.

Funktionsweise einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Um die Verluste durch den Methanol-Crossover gering zu halten, wird ein Gemisch aus Methanol und Wasser (in hoher Verdünnung) zur Anode geleitet. Aufgrund des Katalysatormaterials an der Oberfläche der Anode werden von diesem Gemisch Wasserstoff-Atome abgetrennt und in Protonen (H+-Ionen) und Elektronen zerlegt. Die Protonen gelangen durch die Membran von der Anoden- auf die Kathodenseite. Die Elektronen wandern - bei geschlossenem äußeren Stromkreis - zur Kathode und verrichten auf diesem Weg elektrische Arbeit. An der Anodenseite reagieren die verbleibenden Sauerstoff- und Kohlenstoff-Atome des Methanols mit den Sauerstoff-Atomen des Wassers zu Kohlendioxid (CO2). An der Anode tritt also folgende Reaktion auf:

2CH3OH+ 2H2O 2CO2+ 12H++ 12e Anodenreaktion

Die durch die Membran diffundierten Protonen reagieren an der Kathode mit den Elektronen und dem kathodenseitig zugeführten Sauerstoff zu Wasser:

3O2+ 12H++ 12e 6H2O Kathodenreaktion

Die Gesamtreaktion in der DMFC lautet:

2CH3OH+ 3O2 2CO2+ 4H2O Gesamtreaktion
Seite 3 von 10