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Eine Methanol-Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die mithilfe von Methanol und Sauerstoff funktioniert. Durch diese Reaktion wird Energie frei. Die Energie kann zum Antreiben weiterer Systeme genutzt werden.
Methanol-Brennstoffzelle: Aufbau
Der Aufbau der Methanol-Brennstoffzelle gleicht dem der Wasserstoff-Brennstoffzellen.
Sie besteht aus zwei Elektroden und einer semipermeablen Membran, die die Lösungen, in denen sich die Elektroden befinden, voneinander abschirmt. Durch diese Membran können nur Protonen diffundieren. Die beiden Elektroden sind wiederum durch eine Elektronenbrücke miteinander verbunden.
Abbildung 1: Methanol-Brennstoffzelle
An der Anode wird Wasser und Methanol aus dem Gasraum in die Brennstoffzelle zugeführt und an der Kathode meist nur normale Luft aus der Umgebung, von der aber nur der Sauerstoff für die Reaktion benötigt wird. In Ausnahmefällen wird an der Kathode auch reiner Sauerstoff zugeführt.
Die zugeführten Stoffe reagieren an der jeweiligen Elektrode und werden dann auf der Seite gegenüber der Zuführung aus der Brennstoffzelle hinausgeleitet.
Das Problem bei DMFCs ist das Wandern von Methanol von der Anode zur Kathode durch die Membran. Einerseits geht Brennstoff verloren, andererseits wird das Potenzial minimiert und der Zellwirkungsgrad sinkt. Die Reduzierung dieses technischen Problems ist Gegenstand aktueller Forschungen.
Methanol-Brennstoffzelle: Funktionsweise
Die Gase, nämlich Sauerstoff an der Kathode und Methanol und Wasser an der Anode, werden in zwei Kreisläufe getrennt und wandern aus dem Gasraum in den Katalysator hinein. Das Methanol (CH3OH) reagiert an der Anode mit Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff. Der Wasserstoff wird anschließend durch den Katalysator in zwei Protonen gespalten. Jedes Wasserstoffatom gibt dabei sein Elektron ab.
Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (protonenleitende Polymerelektrolytmembran) zur Kathode, während die Elektronen von der Anode zur Kathode fließen und das Fließen eines elektrischen Stroms bewirken, der die Last mit elektrischer Energie versorgt.
Die Elektronen an der Kathode setzen sich wieder mit einem Sauerstoffmolekül zusammen. Die entstehenden Sauerstoffionen sind negativ geladen und reagieren mit Protonen zu Wasser.
Abbildung 2: Funktionsprinzip der DMFC
Methanol-Brennstoffzelle: Reaktionsgleichung
Es finden es insgesamt zwei Reaktionen statt.
Die erste geschieht an der Anode und die zweite an der Kathode. Beide Reaktionen kannst Du dann zu einer Gesamtreaktion zusammensetzen. Diese gibt dann an, welche Stoffe in die Reaktion eingebracht werden und welche Stoffe aus der Reaktion resultieren.
Anode
An der Anode wird Wasser und Methanol zugeführt. Beides reagiert an der Elektrode miteinander und es setzen sich die Sauerstoffatome aus dem Methanol und dem Wasser mit dem Kohlenstoffatom aus dem Methanol zu Kohlenstoffdioxid zusammen. Die Wasserstoffatome geben dabei ihre Elektronen ab und so entstehen sechs Protonen und sechs Elektronen.
Kathode
An der Kathode kommen die Elektronen und Protonen von der Anode an und der dort zugeführte Sauerstoff reagiert zusammen mit vier Protonen und vier Elektronen zu zwei Molekülen Wasser.
Gesamtreaktion
Bei der Gesamtreaktion werden die beiden Reaktionen der Kathode und Anode zusammen gezogen. Dabei werden die Protonen und Elektronen herausgekürzt, also nicht mit aufgeschrieben. So entsteht folgende Reaktionsgleichung:
Anwendung der Methanol-Brennstoffzelle
Die DMFC ist eine vielfältig anwendbare Brennstoffzelle, da diese auch bei 60-130 °C gebraucht werden kann. Das ist eine höhere Temperatur als für den Gebrauch von Wasserstoff-Brennstoffzellen (PEM).
Zudem ist Methanol der elektrochemisch aktivste, bekannte organische Brennstoff, jedoch immer noch etwa 1000-fach inaktiver als Wasserstoff.
Das DMFC-System zeigt zwar geringere Leistungsdaten als die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Dafür werden keine gesonderten Bedingungen wie beispielsweise Gasbefeuchtung, Luftkühlung und Umwandlung benötigt. Somit ist der größte Vorteil der DMFC gegenüber der PEM-Brennstoffzelle, dass diese bei höheren Temperaturen genutzt werden kann und dabei als unkompliziert gilt. Dafür spart man bei der DMFC an Effektivität.
Ölfirmen und Automobilzulieferer bemühten sich Anfang der 1960er-Jahre, DMFCs für mobile und tragbare Anwendungen einzusetzen.
Doch trotz der Einfachheit des DMFC-Systems gibt es auch Schwierigkeiten. Bei einer Laufzeit von 3000 Stunden oder einer Zellspannung von 10 µV/h nahm die Stromdichte ab oder zu, Methanol durchdrang die semipermeable Membran und senkte damit die Zellspannung.
Momentan werden weitere Forschungen verfolgt, die durchbruchsichere Membranen und weitere kleinere Problembehebungen untersuchen.
Tragbare Anwendung
Die aktuelle PEM-DMFC-Technologie ist für stationäre Systeme und Elektrofahrzeuge nicht ausreichend. Prinzipiell können DMFCs Rasenmäher, Mopeds und Generatoren antreiben. Der DMFC-Markt für tragbare Computer und Kameras wächst.
Autobranche
DMFC-Stromgeneratoren können in entsprechenden Läden von jedem erworben werden. Jedoch werden diese hauptsächlich in der Industrie verwendet und dort vorwiegend in der Automobilindustrie.
Momentan gibt es Überlegungen, ob Batterien mit Methanol besser für die Autoindustrie geeignet sind als jene mit Wasserstoff.
Methanol-Brennstoffzelle in Autos:
Beim Antriebskonzept wird das Auto nicht mit Wasserstoff betankt, da das technisch aufwendig und teuer ist. Stattdessen wird das Methanol-Wasser-Gemisch in den Tank gegeben.
Das Gemisch erwärmt sich erst im Auto selbst und zerfällt in seine Bestandteile. Sauerstoff und Kohlendioxid entweichen in die Luft. Durch die Verwendung von klimaneutralem Methanol entstehen keine zusätzlichen Treibhausgasemissionen. Die Brennstoffzelle wandelt den Wasserstoff im Methanol in Strom um, der den Elektromotor antreibt.
Methanol-Brennstoffzelle: Vor- und Nachteile
Im Folgenden findest Du alle Vor- und Nachteile der Methanol-Brennstoffzelle:
Vorteile | Nachteile |
einfaches System ohne Brennstoffumwandlung | Inaktivierung der Kathode durch ungewollte Methanoloxidation |
bei Temperaturen von −97 bis 64 °C flüssig und bei -97 bis 130 °C anwendbar | Wenig aktiver Anodenkatalysator |
Handhabung, Speicherung und Transport von Methanol sind ähnlich wie bei herkömmlichen flüssigen Brennstoffen (z. B. Benzin oder Diesel) und nicht so kompliziert wie bei Brenngasen (z. B. Wasserstoff), die mit hohen Drücken und/oder bei tiefen Temperaturen gespeichert werden müssen | Methanoldurchtritt durch die Membran auf die Kathodenseite durch Diffusion und Elektroosmose: Dadurch verliert man nicht nur einen Teil des Brennstoffs, sondern auch die Zellspannung wird herabgesetzt |
Methanol ist giftig und korrosiv | |
in der Zelle entsteht das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid |
Vergleich Methanol- und Wasserstoff-Brenstoffzelle
Die Wasserstoff-Brennstoffzelle stellt die größte Konkurrenz für die Methanol-Brennstoffzelle dar. In der Tabellle siehst Du ihre jeweiligen Eigenschaften im Vergleich zueinander:
| Methanol-Brennstoffzelle | Wasserstoff-Brennstoffzelle | |
| Systemumstände | keine | reine Gase, hohe Drücke und Temperaturen bei Speicherung, Handhabung und Transport |
| Verwendungstemperatur | -90 bis 130 °C | 20-80 °C oder 130-200 °C |
| Leistung | <0,001–100 kW | 0,1–500 kW |
| Gegen-Elektrode | Luft oder Sauerstoff | Luft oder Sauerstoff |
| Elektrolyt | Polymer-Membran | Polymer-Membran |
| Anwendung | mobile Stromquellen und begrenzt Autobau | Autobau, Raumfahrt, als mobile Stromquelle und zur Hausenergieversorgung |
Methanol-Brennstoffzelle - Das Wichtigste
- Aufbau besteht aus:
- Zwei Elektroden, denen an der Anode Wasser und Methanol und an der Kathode Sauerstoff zugefügt wird,
- einer semipermeablen Membran, die die Räume der Elektroden voneinander trennt.
- Gesamtgleichung: .
- Theoretisch bei -97 °C bis 130 °C anwendbar.
- Einfaches System ohne großartige Umstände.
- Methanol durchtritt teilweise die semipermeable Membran, was zu Energieverlust führt.
Nachweise
- Abbildung 3: Modell der Methanol-Brennstoffzelle (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuel_cell_NASA_p48600ac_sh.jpg) by NASA (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuel_cell_NASA_p48600ac.jpg) licensed by CC0 (https://creativecommons.org/share-your-work/public-domain/).
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Methanol-Brennstoffzelle
Wie funktioniert eine Brennstoffzelle mit Methanol?
Methanol wird zusammen mit Wasser an der Anode zu Kohlenstoffdioxid gespalten. Die daraus resultierenden Elektronen wandern über die Elektronenbrücke zur Kathode. Das ist der genutzte Strom. Die Protonen von der Anode wandern durch eine Membran zur Kathode. Elektronen und Protonen reagieren dann zusammen mit Sauerstoff zu Wasser. Die entstandenen Produkte werden aus den Reaktionsräumen rausgeleitet.
Was kostet Methanol?
Im Jahr 2021 betrug der durchschnittliche Preis für Methanol rund 505 Euro je Tonne (Stand: Dezember 2021).
Kann man Methanol tanken?
Ja, da Methanol bei normalen Umgebungstemperaturen flüssig ist, kann man ihn tanken. Jedoch ist dies noch nicht für den Normaleverbrauen zu Verfügung gestellt, da auch die Autos mit Methanol-Brennstoffzellen noch nicht auf dem Markt etabliert sind.
Wie entsteht Methanol?
Die technische Herstellung von Methanol erfolgt ausschließlich im katalytischen Prozess von Synthesegas, das eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Verhältnis von etwa 1:2 ist.
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