Stand und Zukunft der Direkt-Methanol- · PDF fileFORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 1999/2000“ 32 Überblick Direkt-Methanol-Bernnstoffzellen (DMFC) setzen den flüssigen

FORSCHUNGSVERBUND SONNENENERGIE „THEMEN 1999/2000“

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Stand undZukunft derDirekt-Methanol-Brennstoffzellevon Ludwig Jörissen,Hendrik Dohle,Ulrich Stimmingund Mario Zedda

Dr. rer. nat. Ludwig Jörissen ist wissenschaft-licher Mitarbeiter des GeschäftsbereichsElektrochemische Speicher und Wandler imZentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW), Ulm.

Dipl.-Ing. Hendrik Dohle ist wissenschaftlicherMitarbeiter des Instituts für Werkstoffe undVerfahren der Energietechnik im Forschungs-zentrum Jülich (FZJ), Jülich.

Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Stimming ist Lehrstuhl-inhaber für Grenzflächen und Energieumwand-lung an der Technischen Universität Münchenund wissenschaftlicher Leiter der AbteilungEnergieumwandlung und -speicherung imBayerischen Zentrum für AngewandteEnergieforschung (ZAE Bayern), München.

Dipl.-Ing. Mario Zedda arbeitet als wissen-schaftlicher Mitarbeiter an Polymermembran-Brennstoffzellen und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen in der Abteilung Energie-technik des Fraunhofer Instituts für SolareEnergiesysteme (ISE), Freiburg.

Überblick

Direkt-Methanol-Bernnstoffzellen(DMFC) setzen den flüssigen KraftstoffMethanol direkt in elektrischen Stromum. Im Vergleich zu Brennstoffzellen-systemen, die Wasserstoff mit Hilfe einesReforming-Prozesses erzeugen, kann da-durch eine beträchtliche System-vereinfachung erreicht werden. Überden Stand der Entwicklung der DMFCwird anhand experimenteller Ergebnisseberichtet. Die Auswirkungen derBetriebsbedingungen werden untersuchtund Lösungsansätze für neue Katalysato-ren und Elektrolytmembranen vorge-stellt.

In Direct-Methanol-Fuel-Cells (DMFC),the liquid fuel methanol is directlyconverted into electricity. This leads toconsiderably simpler fuel cell systemswhen compared to reformer-basedsystems. Based on experimental results,the current status of DMFC developmentis reviewed. The consequences ofoperating conditions are identified.Furthermore, new concepts are sugges-ted for catalyst and electrolyte mem-brane development.

1. Einführung

Brennstoffzellen sind Stromquellender Zukunft, sie erzeugen direkt,ohne den Umweg über Wärme undmechanische Energie, mit hohemWirkungsgrad geräusch- und emissi-onsarm elektrische Energie. Mit neu-artigen Werkstoffen und weiterent-wickelter Systemtechnik öffnet sichfür diese Technologie ein Markt mit

Abbildung 1: Konzepte zur Brennstoffvers

einem großen Einsatzspektrum: zurVersorgung netzunabhängiger Geräte,in der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung oder als Antriebssystem fürFahrzeuge. In jüngster Zeit wurdenbeträchtliche Fortschritte bei der Ent-wicklung von Polymerelektrolytmem-bran-Brennstoffzellen (PEFC) erreicht.Diese Zellen benötigen jedoch zumBetrieb Wasserstoff. Andere Treibstof-fe wie z.B. Erdgas oder Methanolmüssen vorher chemisch in ein was-serstoffhaltiges Gasgemisch aufberei-tet und von CO-Verunreinigungen be-freit werden, wodurch sich die spezifi-sche Leistung (W/kg) und die Lei-stungsdichte (W/l) verringert. In Abbil-dung 1 sind drei verschiedene Kon-zepte zur Versorgung eines Brenn-stoffzellensystems dargestellt.

Die Speicherung von Wasserstoff er-fordert entweder den Umgang mitkomprimierten oder tiefkalten, ver-flüssigten Gasen. Die Verwendung ei-nes bei Raumtemperatur flüssigenKraftstoffs, z.B. Methanol, bedeutethier eine beträchtliche Systemver-einfachung. Die Wasserstofferzeu-gung mittels Reformer vor Ort machtjedoch eine sehr komplexe System-technik erforderlich. Aus diesem Grundewurde bereits frühzeitig versucht, Me-thanol direkt in einer so genanntenDirekt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC)umzusetzen. Aktuelle Entwicklungenauf dem Gebiet der DMFC wurdenvon Hogarth und Hards [1], Wasmusund Küver [2] sowie McNicol et al.[3] zusammengefasst.

orgung eines Brennstoffzellensystems


2

CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2 H2O

O2

H2O

CH3OH + H2O

H+(aq )

H3COH + H 2O 6 H+ + 6 e- + CO2 6 H+ + 6 e- + 3/2 O2 3 H2O

Brennstoffraum: Methanol

Anode: Pt/Ru (auf Kohle)

Verbraucher

Polymer -elektrolyt -membran

CO 2

Gasraum: O 2 (Luft)Kathode: Pt (auf Kohle)

CH3OH + H2O

Abbildung 2: Arbeitsweise einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle

Methanol erweist sich als vorteilhafterBrennstoff für die Anwendung in Fahr-zeugen. Es ist unter Normalbedingun-gen flüssig (Siedepunkt: 65°C, Gefrier-punkt: -94° C) und erfordert daher nurModifikationen der bestehenden Infra-struktur zur Verteilung flüssiger Treib-stoffe. Ferner hat es eine hohe Energie-dichte (6,03 kWh/kg), ist biologischabbaubar und aus verschiedenen,auch regenerativen Quellen leicht zu-gänglich (Erdgas, Kohle, Biomasse,CO

2 der Luft).

Als Nachteile sind die Toxizität vonMethanol und dessen unbegrenzteMischbarkeit mit Wasser zu nennen.Methanol kann so leicht ins Erdreichoder Grundwasser gelangen. Dies er-fordert in den Handhabungsbereichen(z.B. an Tankstellen) veränderteSicherheitsmaßnahmen.

Die DMFC kann in verschiedenen Leis-tungsklassen eingesetzt werden.Hier seien beispielhaft einige An-wendungsfelder genannt:

• Kleinstleistungsbereich (1W bis100W).Die DMFC könnte als Batterie-ersatz z.B. im Mobiltelefonoder Laptop dienen, wodurcheine längere Betriebsdauerzwischen zwei Ladezyklen zuerwarten ist.

• Kleiner bis mittlerer Leistungs-bereich (0,1 kW bis 1 kW).Als Einsatzfeld bietet sich die de-

zentrale Energieversorgung, z.B.in Gebieten ohne Strom undErdgasversorgung, als Ersatz vonDieselgeneratoren an.

• Fahrzeugantrieb (ca. 50 kW).Die DMFC führt zu einer Redukti-on des Ausstoßes an CO2 undanderen Luftschadstoffen. Gegen-über einer mit Reformerwasser-stoff betriebenen PEFC ergibt sicheine beträchtliche Systemverein-fachung.

2. Grundlagen

Die DMFC erzeugt elektrischen Stromdirekt aus der elektrochemischen,„kalten Verbrennung“ von Methanolmit (Luft-)Sauerstoff (Abbildung 2).

Die Brennstoffversorgung der DMFCkann sowohl aus der Dampfphase(Abbildung 3a) als auch aus der flüssi-gen Phase (Abbildung 3b) erfolgen.Man erkennt die beträchtliche Verein-fachung des Gesamtsystems, wenndie Brennstoffversorgung der DMFCaus der flüssigen Phase erfolgt. Abbil-dung 4 zeigt einen kompletten DMFC-Laborprüfstand. Dieser Prüfstand er-laubt die Zufuhr von Methanol aus derDampfphase und aus der flüssigenPhase. Die Zelle kann in diesem Prüf-stand bei Temperaturen bis 200°C undDrücken bis 10 bar betrieben werden.

Die DMFC wandelt Methanol an derAnode der Brennstoffzelle direkt inProtonen und CO

2 um. Infolge der

CO2-Bildung an der Anode werden

saure Elektrolyten bevorzugt. Die Re-aktion läuft über mehrere Zwischen-stufen ab, über deren Details heutenoch keine vollständige Klarheitherrscht. Die Vorgänge an der Elektro-de wurden in zahlreichen Untersu-chungen unter Verwendung klassischelektrochemischer Techniken sowiein-situ spektroskopischer Methodenuntersucht. Als charakteristisch habensich stabile, CO-haltige Adsorbate he-rausgestellt, welche die Katalysator-oberfläche belegen und die Zellspan-nung verringern. Die Zusammenset-zung und Struktur der Adsorbate wer-den durch die Betriebsbedingungenwie Zelltemperatur, Elektrolyt, Me-thanolkozentration etc. beeinflusst.

An den Elektroden der Brennstoffzellelaufen folgende elektrochemischeBruttoreaktionen ab:

Die elektrochemische Oxidation vonMethanol an Platinkatalysatoren er-folgt zusammengefasst in folgendenSchritten:

1. Adsorption von Methanol an dieKatalysatoroberfläche

2. Schrittweise Abstraktion zunächstdes C-gebundenen, dann desO-gebundenen Wasserstoffs zuProtonen

3. Bildung eines CO-AdsorbatsPt-CO

ads

4. Adsorption von Sauerstoff ausWasser unter Bildung vonPt-OH

ads.5. Weiterreaktion von Pt-OH

ads.

mitCO

ads unter Bildung von CO

2.

Die Zwischenprodukte der Metha-noloxidation sind an Platin, einenansonsten stabilen und universellenElektrokatalysator so fest gebunden,dass sie erst bei stark positiven Poten-zialen (oberhalb 450-500 mV vs. RHE)oxidiert werden. Es bildet sich einedichte CO-Belegung der Katalysator-oberfläche aus, wodurch die Bildungvon Pt-OH

ads zum geschwindigkeits-

bestimmenden Schritt der Reaktionwird.

33


34

Abbildung 3: Bauformen von Direkt-Methanol-Brennstoffzellena) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit dampfförmiger Brennstoffversorgungb) Direkt-Methanol-Brennstoffzelle mit flüssiger Brennstoffversorgung

Brennstoff

(H3COH, H2O)

Methanol

CO2↑

Luft(N2, O2)

N2

↑O2

H2O

(CO2)

H2O ↓

a)

b)


Abbildung 4: DMFC-Prüfstand des Fraunhofer ISE in Freiburg. Der Stand erlaubtMessungen mit flüssiger und dampfförmiger Brennstoffzufuhr und kann beiBetriebstemperaturen bis 200°C und Drücken bis 10 bar betrieben werden.

Abbildung 5: Kennlinien von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen mit niedrigemKatalysatorgehalt

Die elektrochemische Oxidation vonMethanol kann beschleunigt werden,indem Platin-Legierungskatalysatoreneingesetzt werden. Das Legierungs-element kann entweder über elektro-nische Effekte die Bindungsstärke derPt-CO

ads Oberfächenverbindung schwä-

chen oder die Bildung sauerstoffhalti-ger Adsorbate fördern.

3. Forschungs- und Entwicklungs-bedarf für die DMFC

Beim praktischen Betrieb einer DMFCtreten unter anderem folgendeSchwierigkeiten auf:

– Potenzialverluste an der Anodeaufgrund geringer Katalysator-aktivität

– Wirkungsgradeinbußen infolgevon Methanoldurchtritt durch dieElektrolytmembran

– Potenzialverluste an der Kathodeaufgrund einer Mischpotenzial-bildung

Für eine Anwendung der DMFC, z.B. ineinem Fahrzeug, muss vor allem ihr Wir-kungsgrad mit dem eines aus Methanol-reformer und Wasserstoff-Brennstoffzellebestehenden Systems vergleichbar sein.Unterstellt man für den Reformer einen

Wirkungsgrad von 60 % bis 80 % undeinen Wirkungsgrad für eine wasser-stoffbetriebene Brennstoffzelle von50 %, so kann für das reformatbetrie-bene Brennstoffzellensystem ein Wir-kungsgrad im Bereich von 30 % bis40 % unterstellt werden.

Die theoretische Zellspannung einerDMFC entspricht 1,186 V. Unterstellt

man 10 % Verluste infolge der Diffu-sion von Methanol durch die Elektro-lytmembran, so muss die Zellspannungim Arbeitspunkt mindestens 400 mVbetragen, um einen Wirkungsgradgrößer als 30 % zu erzielen.

Fordert man ferner eine Leistungs-dichte des DMFC-Systems von250 mW/ cm2, so muss bei einer Zell-spannung von 400 mV eine Stromdichtevon 625 mA/cm2 erreicht werden.

Neben der Effizienz und einer Verbes-serung der elektrischen Parametersollte auch der Edelmetallbedarf derDMFC den eines reformatbetriebenenSystems nicht wesentlich übersteigen.Demzufolge sind Katalysatorbeladun-gen < 1 mg/cm2 anzustreben. In Ab-bildung 5 sind typische Kennlinienvon DMFCs mit niedrigem Katalysa-torgehalt dargestellt.

Aus den Anforderungen lässt sich derfolgende Forschungs- und Entwick-lungsbedarf für die DMFC ableiten

– Optimierung der Elektrokataly-satoren für die Methanoloxidation

– Optimierung der Betriebsbedin-gungen Temperatur, Druck, Brenn-stoff- und Luftfluss

– Verbesserung der Elektroden-struktur

– Material, Porosität, Katalysator-belegung

– Verwendung neuartiger Membran-materialien

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Abbildung 6: Einfluss von Übergangsmetalloxiden auf das Verhalten vonDirekt-Methanol-Brennstoffzellen im Langzeitbetrieb bei Rautemperatur

Abbildung 7: Leistungssteigerung einer DMFC in Abhängigkeit der Temperatur

Abbildung 8: Einfluss der Methanolkonzentration auf das Potenzial der Anode

– z.B. PEEK, PBI, protonenleitendeKeramiken

– Entwicklung von methanol-unempfindlichen Sauerstoff-katalysatoren, z.B. Chevrelphasen

4. Katalysatoren für dieElektrooxidation von Methanol

Platin-Ruthenium-Legierungskataly-satoren zeigen hohe Aktivität für dieElektrooxidation von Methanol. DieWirkung von Ruthenium wird der er-leichterten Bildung sauerstoffhaltigerAdsorbate zugeschrieben. Eine weite-re Steigerung der Aktivität kann daherdurch die Verwendung ternärer Kataly-satoren, die Übergangsmetalloxidewie Wolfram- oder Molybdänoxid ent-halten, erwartet werden.

Übergangsmetalloxidhaltige Pt/Ru-Ka-talysatoren wurden nach der so ge-nannten Adams-Methode hergestellt.Dazu wird eine wässrige Lösung ausEdelmetallsalzen, Übergangsmetall-salzen und Alkalinitrat eingedampft,anschließend geschmolzen und übermehrere Stunden bei 500° C gehal-ten. Die resultierenden feinteiligenOxidpartikel werden nach Lösen desAlkalinitrats in Wasser gewaschenund in wässriger Suspension mit gas-förmigem Wasserstoff bei Raum-temperatur reduziert. Die Katalysa-toren haben nach der Reduktion einespezifische Oberfläche von etwa90 m2/g. Sie enthalten neben metal-lischen Edelmetallpartikeln nochRestbestände an Edelmetalloxidenals kristalline Phasen. Die Übergangs-metalloxide liegen amorph vor.

Abbildung 6 zeigt den Einfluss über-gangsmetalloxidhaltiger Katalysato-ren im Dauerbetrieb von DMFCs beiRaumtemperatur.

Man erkennt bei

den übergangsmetalloxidhaltigen Ka-talysatoren eine Steigerung der Zell-spannung und eine verminderteDegradation.

Die Reaktionstemperatur in derSchmelze sowie Reduktionsdauersind von entscheidendem Einfluss aufdie Aktivität der Katalysatoren. BeiTemperaturen oberhalb von 500° Cbilden sich zu grobe Edelmetallkris-tallite. Bei kurzen Reduktionszeitenverbleibt ein zu hoher Gehalt an kata-lytisch inaktiven Edelmetalloxiden imKatalysator.


0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

110°C O2 4M 3 / 3 bar

110°C O2 1M 3 / 3 bar

110°C O2 2M 3 / 3 bar

110°C O2 0,5M 3 / 3 bar

IWV-3

Do98-04

FZJ Ti - Zelle

Elektrodenfläche: 20 cm2

PAnode / P Kathode

Anode: 4 mg/cm² Pt/Ru0505

Kathode: 4 mg/cm² Pt

Membran: Nafion 117

0,5M1M

2M

4M

Stromdichte/mA/cm2

Zellspannung/m

V

Abbildung 9: Einfluss der Methanolkonzentration auf die Kennlinie der DMFC

Abbildung 10: Methanoldurchtritt durch die Elektrolytmembran

Abbildung 11: Konzepte einer DMFC mit innen liegender Methanol-Sperrschicht

5. Betriebsbedingungen

Die Leistung einer DMFC kann durchErhöhung der Betriebstemperatur inFolge der Aktivierung der Anoden-reaktion beträchtlich gesteigert wer-den. Man findet erwartungsgemäßeine exponentielle Abhängigkeit (Ab-bildung 7). Die Erhöhung des Kathoden-drucks führt ebenfalls zu einer Stei-gerung der Zellleistung.

Methanol ist in seinen Eigenschaftendem Wasser sehr ähnlich, es diffun-diert demzufolge nahezu ungehindertdurch die Elektrolytmembran. Außer-dem kann Methanol von den an derAnode entstehenden Wasserstoffionenzur Kathode geschleppt werden.

Abbildung 8 zeigt die Abhängigkeitdes Anodenpotenzials von Stromdichteund Methanolkonzentration. Erwar-tungsgemäß sinkt das Anodenpoten-zial mit steigender Methanolkonzen-tration. Das starke Ansteigen des Ano-denpotenzials bei einer Brennstoffkon-zentration von 0,5 mol / l und hohenStromdichten deutet auf eine Metha-nolverarmung in der Elektrode hin.

In Abbildung 9 ist der Einfluss der Me-thanolkonzentration auf die Kennli-nie der DMFC dargestellt. Die Abbil-dung zeigt, dargestellt als Strom-dichteäquivalent, das Ausmaß derVerluste, die durch den Methanol-transport durch die Elektrolytmem-bran auftreten. Man erkennt beiStromdichten unterhalb 100 mA/cm2

eine Abnahme der Zellspannung mitzunehmender Methanolkonzentration.Die Zellspannung steigt bei Strom-dichten oberhalb von 300 mA/cm2

bis zu einer Konzentration von 2 mol/l.Die Kennlinie bei einer Methanolkon-zentration von 4 mol/l verläuft bei allenKonzentrationen bei der geringstenZellspannung.

In Abbildung 10 ist der Methanol-durchtritt in Abhängigkeit der Strom-dichte und der Methanolkonzentrationdargestellt. Man erkennt, dass beiKonzentrationen von 0,5 mol/l bis2 mol/l der Methanoldurchtritt mitzunehmender Stromdichte sinkt. Diezunehmende Stromdichte führt zueiner Verminderung des Methanol-angebots an der Grenzfläche zurElektrolytmembran, wodurch ein ver-minderter Methanoldurchtritt erreicht

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350

400

450

500

550

0 0.5 1 1.5 2

N117

N117 Pd-besch.

N105

N112

Anode: PtRuOx(2.1-2.8 mg/cm²)

Kathode: Pt-Black

(3.7-3.8 mg/cm²)Tc=25°C

i = 2 mA/cm2

pm=1 bar

F m=2 ml/min

pa=1.2 bar

F a=0.2 l/min

U[mV]

Zelle

cm [M]

- -

-

--

-

-

-

- -

-

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

+

-+

-

+

-

+

-+

-

+-

+

-

++

-+- -

+

-

+

-

---

---

--

Anionische

funktionale Gruppe

Kationischefunktionale Gruppe

-

-

-

-

-

-

Anionische Schicht

Kationische Schicht

-

+-

Schicht-für-Schicht-Adsorption

durch elektrostatischeSelbstorganisation:

Modifiziertes Polybenzimidazol

Anionische und kationischeSchichten aufgebracht durchTauchverfahren

Abbildung 13: Aufbau von Multischicht-Nanokomposit-Polymerelektrolyt-Komplexen

Abbildung 12: Abhängigkeit der Zellspannung einer DMFC bei Raum-temperatur von der Methanolkonzentration; N117 º Nafion 117 (» 178 µmMembrandicke), N117 Pd-besch.º Nafion 117 mit 500 nm Pd-Sputterschicht,N105 º Nafion 105 (» 127 µm Membrandicke), N112 º Nafion 112 (» 51 µmMembrandicke)

wird. Bei einer Methanolkonzentrationvon 4 mol/l wird das Methanolangebotan der Grenzfläche nicht weit genugabgesenkt. Mit zunehmender Strom-stärke wird somit zusätzliches Metha-nol durch den Elektrolyten zur Katho-de geschleppt, was eine weitere Ab-senkung der Zellspannung bewirkt.

6. Elektrolyt

Der Methanoldurchtritt kann durcheine geeignete Wahl des Elektrolytenoder durch den Einbau methanolun-

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durchlässiger Schichten in die Elektro-lytmembran minimiert werden.

In Abbildung 11 ist das Konzept einerDMFC mit innen liegender Methanol-Sperrschicht dargestellt. Diese Sperr-schicht kann z.B. aus Palladium, einemHydrid bildenden Metall, bestehen.Durch den Elektrolyten ankommendeWasserstoffionen werden an der„Hilfskathode (HK)“ reduziert und indas Kristallgitter des Metalls eingela-gert. Im Metall, das als „Wasserstoff-leiter (WL)“ wirkt, kann Wasserstoff

zur gegenüberliegenden Seite diffun-dieren und dort an der „Hilfsanode(HA)“ wieder zu Wasserstoffionenoxidiert werden.

Abbildung 12 zeigt die Konzentrations-abhängigkeit der Zellspannung einerDMFC bei Raumtemperatur bei einerStromdichte von 2 mA/cm2. Man er-kennt eine Abnahme der Zellspannungmit zunehmender Methanolkonzentra-tion, die erwartungsgemäß bei Na-fion 112, der dünnsten Elektrolytfolie,am stärksten ausgeprägt ist. Das Ein-bringen einer 500 nm dicken Palladi-umschicht in die Elektrolytmembranführt zu einer deutlichen Verringe-rung der Zellspannungsabnahme mitsteigender Methanolkonzentration.Die Pd-Schicht bewirkt allerdings einAnsteigen des Membranwiderstands.

Elektrolytmaterialien für die DMFCmüssen folgenden Kriterien genügen

– Hohe Protonenleitfähigkeit– Thermisch, chemisch, mechanisch

und elektrochemisch langzeitstabil– Geringer Durchtritt von Methanol– Begrenzte Quellung in wässriger

Methanollösung

Ein neues, viel versprechendes Kon-zept könnten Multischicht-Nanokom-posit-Polymerelektrolyt-Komplexe sein.Diese Materialien können durch ab-wechselnde Tauchprozesse in Polymer-lösungen, die entweder kationenaus-tauschende oder anionenaustauschendeGruppen tragen, hergestellt werden.Der schematische Aufbau solcherMembranen ist in Abbildung 13 darge-stellt. Die Materialien zeichnen sichdurch hohe Temperaturstabilität aus(Abbildung 14). Erste Versuche zumEinsatz in Brennstoffzellen verliefen er-folgversprechend.

7. Zusammenfassung

Die DMFC verspricht eine erheblicheVereinfachung von Brennstoffzellen-systemen. In Einzelzellexperimentenkonnte gezeigt werden, dass die für ei-nen praktischen Einsatz notwendigeLeistungsdichte und Spannungseffizienzselbst beim Einsatz „konventionellerMaterialien“ erreicht werden kann (Ab-bildung 15). Es bleibt jedoch das Pro-blem zu großer Methanolverluste durchdie Elektrolytmembran (Abbildung 10).Trotz beträchtlicher Fortschritte in den


0

400

800

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

ZSW, N105, 6.10.99

250 mW/cm2 @ 90% MeOHUtil.

Anode: E-Tek PtRuOx (5,0 mg/cm²)Cathode: J. Matthey-Pt-Black (6,0 mg/cm²)

Tc=110°C; T Bef. =70 °C

cm=1 M

pm=2,5 bar; Fm=4 ml/minpa=4 bar; Fa=5 l/min

i(mA/cm )2

U(mV)

Abbildung 15: Kennlinie einer DMFC mit hoher Edelmetallbeladung. Die ge-strichelte Kurve zeigt den Verlauf einer Leistungsdichte von 250 mW/cm2 bei10% Methanolverlusten durch die Membran.

Abbildung 14: Temperaturstabilität von Multischicht-Nanokomposit-Polymer-elektrolyt-Komplexen

Tabelle: Eigenschaften von Methanol im Vergleich zu Benzin [5]

letzten Jahren sind die Entwicklungneuer Elektrolytmaterialien mit gerin-gerer Methanolpermeabilität und ver-besserte Katalysatoren für einen prak-tischen Einsatz der DMFC notwendig.

Anhang: Bemerkungen zu denEigenschaften von Methanol

Methanol ist als Gefahrstoff eingestuft[4]. Methanol metabolisiert im Körperzu Ameisensäure, welche Schädigun-gen im Nervensystem hervorruft. Dabeiwird zunächst das Sehvermögen beein-trächtigt. Die Einnahme von 60 ml bis240 ml reinem Methanol ist für denMenschen akut tödlich. Schädigungendurch chronische Exposition wurdenbeobachtet.

Im Jahr 1998 betrug die Jahresproduk-tion von Methanol ca. 25,9 Mio. t,dies bedeutete eine Auslastung derProduktionskapazitäten von ca. 76%.Der mittlere Weltmarktpreis beliefsich auf ca. 20 Pfennige pro Liter.

Literatur

[1] Hogarth, M.P., Hards, G.A.:„Direct Methanol Fuel Cells,Technological Advances and FurtherRequirements”, Platinum Metals Rev.,40, (1996) 150

[2] Wasmus, S., Küver, A.:„Methanol Oxidation and Direct Metha-nol Fuel Cells: A Selective Review“, J.Electroanal. Chem., 461, (1999), 14

[3] McNicol, B.D., Rand, D.A.J., Williams,K.R.:„Direct Methanol-Air Fuel Cells for RoadTransportation“, J. Power Sources, 83,(1999), 15

[4] OPPT Chemical Fact Sheet Methanol(CAS NO. 749-F-94-013 (1994), http://www.epa.gov/opptintr/chemfacts/s_methan.txt

[5] American Methanol Institute, http://www.methanol.org/fact/sumprop.htmAlternate Fuel Vehicles, http://www.usps.gov/environ/webpages/comp1.htm

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