Als saubere Alternative zu Verbrennungsmotoren mit fossilen Kraftstoffen gewinnen Brennstoffzellen zunehmend an Bedeutung. Dabei liegt der Fokus überwiegend auf dem Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff. Es gibt allerdings auch alternative Ansätze: einer davon ist die Methanol-Brennstoffzelle.
1. Aufbau und Funktion einer Methanol-Brennstoffzelle
2. Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)
3. Indirekte Methanol-Brennstoffzelle (RMFC)
4. Vorteile von Methanol für Brennstoffzellen
Aufbau und Funktion einer Methanol-Brennstoffzelle
Wie alle Brennstoffzellen bestehen auch Methanol-Brennstoffzellen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Die Elektroden sind leitfähig für Elektronen, während der Elektrolyt lediglich für eine bestimmte Ionensorte (elektrisch geladene Atome) durchlässig ist.
In der Regel basieren Methanol-Brennstoffzellensysteme auf einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Hinsichtlich Aufbau lassen sich zwei Funktionsweisen unterscheiden: Brennstoffzellen, die Methanol direkt und solche, die Methanol indirekt verwenden.
Mehr zu den unterschiedlichen Typen von Brennstoffzellen
Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)
Direktmethanol-Brennstoffzellen (Direct Methanol Fuel Cell kurz DMFC) sind die bekannteste Form der Methanol-Brennstoffzelle. Im Vergleich zu anderen Methanol-Brennstoffzellen zeichnen sie sich durch einen einfachen Systemaufbau und schnelle Startzeiten aus. Die Leistung ist meist auf Die Leistung ist meist auf < 200 Watt begrenzt.
Wirkungsgrad: 20 – 30%
Betriebstemperatur: 70 – 90°C
Reaktionsgleichung: 2 CH3OH + 3 O2 -> 4 H2O + 2 CO2
Aufbau, Prinzip und Funktionsweise
DMFCs führen an der Anoden-Seite ein Methanol-Wasser-Gemisch zu. Dieses wird in Wasserstoff und Kohlendioxid gespalten. Ein Katalysator (Platin) teilt die Wasserstoff-Moleküle in positiv geladene Wasserstoff-Atome (Protonen).
Durch den Elektrolyten (eine Protonen-Austausch-Membran) wandern die Wasserstoff-Protonen zur Kathode und reagieren mit zugeführtem Sauerstoff zu Wasser. Der Prozess geschieht bei einer vergleichsweise geringen Zelltemperatur von 70 bis 90°C, wodurch schnell Starts möglich sind.
Prinzip und Aufbau einer Direkt-Methanolbrennstoffzelle (DMFC)
Anwendungen
DMFCs kommen sowohl gewerblich, als auch im privaten Gerbrauch zum Einsatz. Zu den Anwendungsfeldern zählen abgelegene Messstationen, Videoüberwachungsanlagen oder kleinere elektrische Anlagen in der Verkehrstechnik – meist mit einer geforderten Leistung unter 150 Watt. Im Freizeitbereich dienen DMFC zur Bordstromversorgung bei Wohnmobilen und Schiffen.
Vor- und Nachteile
Neben den generellen Vorteilen von Brennstoffzellen gegenüber konventionellen Verbrennungsmotoren zeichnen sich Direktmethanol-Brennstoffzellen durch den einfachen Systemaufbau und schnelle Startzeiten aus. Allerdings sind DMFCs relativ empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Brennstoff und haben einen verhältnismäßig geringen Wirkungsgrad.
Vorteile
- Schnelle Startzeit
- Einfaches und kompaktes Systemdesign
- Weit verbreitet und etabliert im niedrigen Leistungsbereich
Nachteile
- Benötigen hochreines Methanol
- Vergleichsweise niedrige Effizienz (20 – 30%)
- Lagertemperatur bei Minusgraden problematisch, da sich Wasserkristalle an der Membran bilden können
- Methanol „Cross-Over“ an der Membran kann die Lebenszeit und Systemeffizient beeinflussen
- Relativ hoher Platin-Gehalt als Katalysator nötig
Vor- und Nachteile von Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFCs) im Vergleich zu anderen Methanol Brennstoffzellen
Indirekte Methanol-Brennstoffzelle (RMFC)
Bei der indirekten Methanol-Brennstoffzelle (Reformed Methanol Fuel Cell kurz RMFC) kommt als Brennstoff Wasserstoff zum Einsatz, der in einem Vorprozess aus dem zugeführten Methanol gelöst wird. Dadurch kann eine höhere Ausgangsleistung und eine bessere Effizienz erzielt werden.
Wirkungsgrad: 35 – 50%
Betriebstemperatur: je nach Membran 70 – 90°C (LT-PEM) oder 160 – 200 °C (HT-PEM)
Reaktionsgleichung: CH3OH + H2O -> 3 H2 + CO2 (Reformer) 2 H2 + O2 -> 2 H2O (Brennstoffzelle)
Aufbau, Prinzip und Funktionsweise
RMFCs können sich hinsichtlich ihrer Membran unterscheiden. In manchen Systemen kommen konventionelle Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembranen (LT-PEM), in anderen Hochtempertaur-Polymerelektrolytmembranen (HT-PEM) zum Einsatz. Mehr zu den unterschiedlichen Typen hier. Die grundsätzliche Funktionsweise ist allerdings identisch:
Im ersten Schritt wird aus Methanol ein wasserstoffhaltiges Gas (Reformatgas) erzeugt. Die sogenannte Dampfreformierung findet bei Temperaturen zwischen 200 – 220°C statt. Mehr zum Verfahren findet sich unten im Text. Methanol dient als flüssiger Wasserstoffträger.
Anders als bei der DMFC wird an der Anode folglich kein wässriges Methanol, sondern gasförmiger Wasserstoff zugeführt. Da die aus der Automobilindustrie bekannte LT-PEM einen hochreinen Wasserstoff benötigen, muss das entstandene Reformatgas noch aufbereitet werden. Dies kann mittels einer Palladiummembran erfolgen.
Im Gegensatz zu LT-PEMs sind HT-PEMs aufgrund der erhöhten Betriebstemperatur tolerant gegenüber Verunreinigungen im Reformatgas. Der Schritt der Aufbereitung entfällt bei diesem Systemtyp.
Aufbau einer indirekten Methanol-Brennstoffzelle (RMFC) mit Reformer und HT-PEM (LT-PEM benötigt einen zusätzlichen Schritt zur Wasserstoff-Aufbereitung zwischen Brennstoffzelle und Reformer)
Anwendungen
RMFCs kommen derzeit überwiegend zur stationären Stromerzeugung, als auch im Automotivbereich zum Einsatz. Zu den Anwendungsfeldern zählen beispielsweise abgelegene Telekommunikationsstandorte oder die Notstromversorgung kritischer Infrastruktur. Systeme und Module unterscheiden sich je nach Anwendungsfeld von 150 Watt bis mehreren hundert Kilowatt.
Vor- und Nachteile
Im Vergleich zur DMFC ist das Systemdesign der RMFC etwas komplexer. Allerdings sind die Anforderungen an die Methanolreinheit im Vergleich zur DMFC gesenkt. Zudem lässt sich eine höhere Effizienz erzielen.
Vorteile
- Hoher Wirkungsgrad (35- 50%)
- Kaltlagerung ohne Warmhalten möglich, da keine Flüssigkeit an der Membran anliegt
- Geringerer Platin Gehalt
- Verwendung von Industriemethanol (zum Beispiel nach IMPCA)
Nachteile
- Langsamere Startzeit aufgrund von Aufwärmphase
- Komplexerer Systemaufbau
Vor- und Nachteile von indirekten Methanol-Brennstoffzellen (RMFC) gegenüber DMFCs
Alle Methanol-Brennstoffzellen benötigen grundsätzlich ein Methanol-Wasser-Gemisch. Da an der Kathodenseite der Brennstoffzelle allerdings ohnehin Wasser(-dampf) entsteht, kann dieser auskondensiert und mit purem Methanol gemischt werden. Deshalb ist bei einigen Herstellern die Verwendung von reinem Methanol möglich.
Vorteile von Methanol für Brennstoffzellen
Methanol (H3COH) enthält vier Wasserstoff-, ein Kohlenstoff- und ein Sauerstoffatom. Damit ist es der einfachste organische Alkohol. Hohe energetische Dichte und einfache Herstellung aus erneuerbaren Energien oder Biomasse machen Methanol zu einem Interessanten Brennstoff für nachhaltige Energiesysteme.
Vorteile von Methanol für Brennstoffzellen
Transport und Lagerung
Methanol ist flüssig bei Raumtemperatur und kann beispielsweise in Tanks, Kanistern oder Fässern transportiert und gelagert werden. Zudem weißt Methanol einen geringen Gefrierpunkt von – 97°C auf, wodurch sich Methanol-Brennstoffzellen auch für den Einsatz in kalten Umgebungstemperaturen eignen.
Kostengünstig und global verfügbar
Methanol ist ein wichtiger Ausgangsstoff der chemischen Industrie und findet beispielsweise als Lösungsmittel Verwendung. Aufgrund der vielseitigen Einsatzfelder ist Methanol weltweit verfügbar. In Europa beträgt der Nettopreis für Methanol – geliefert in einem IBC – ab etwa 0,50 € pro Liter.
Hohe energetische Dichte
Methanol hat einen hohen Anteil an chemisch-gebundenem Wasserstoff und zeichnet sich durch seine hohe Energiedichte aus. Zum Vergleich: 10 Liter Methanol enthalten ungefähr 1 Kilogramm Wasserstoff. Ein 25 Liter Kanister enthält folglich dieselbe Menge wie 2 Druckgasflaschen mit gasförmigem Wasserstoff bei 200 bar.
Herstellung von Wasserstoff aus Methanol
Aktuell erfolgt die Herstellung von Wasserstoff überwiegend aus Kohlenwasserstoffen. Das ist eine Stoffgruppe von Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen. Dazu zählen fossile Kraftstoffe wie Erdgas, Kohle und Erdöl, aber auch Alkohole wie Methanol und Ethanol (C2H4O).
Das geläufigste Verfahren ist die Dampfreformierung. Dabei wird der chemisch-gebundene Wasserstoff bei hoher Temperatur aus den Ausgangsstoffen gelöst. Es entsteht ein wasserstoffhaltiges Reformatgas.
Im Gegensatz zu anderen Kohlenwasserstoffen kann Methanol bereits bei einer verhältnismäßig geringen Temperatur von 200 – 220 °C in ein wasserstoffhaltiges Reformatgas umgewandelt werden. Zur Stromerzeugung kann das Reformatgas direkt in HT-PEM-Brennstoffzellen verwendet werden.
Die Aufbereitung von Wasserstoff ermöglicht darüber hinaus die Nutzung in industriellen Prozessen oder anderen Arten von Brennstoffzellen. Gegenwärtig kann dies durch Druckwechseladsorption (PSA), Palladiummembranen oder Elektrochemische Wasserstoffseparation (EHS) erfolgen.
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