Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC):

 

Die DMFC ist im Prinzip eine modifizierte PEM-Brennstoffzelle, die jedoch als Brennstoff anstelle von Wasserstoffgas ein Methanol-Wassergemisch verwendet. Das heißt, die DMFC wandelt direkt ohne den Umweg über einen Reformer - der Methanol in Wasserstoff konvertiert - die chemische Energie des Methanols in elektrische Energie um.

Auch bei der DMFC besteht der Elektrolyt aus einer protonendurchlässigen Membran, auf die beidseitig ein Katalysatormetall (meist ein Platin-Ruthenium-Gemisch) aufgetragen ist. Und auch die DMFC arbeitet bei niedrigen Temperaturen unter 100°C.

Was die DMFC für den automobilen Sektor darüber hinaus so attraktiv macht, ist die Tatsache, dass sie viel weniger Platz benötigt und viel billiger und weniger komplex ist als ein Antriebssystem, das aus PEM-Brennstoffzellen und einem Methanolreformer besteht. Der Wegfall eines Reformers im Fahrzeug bringt ein geringeres Gesamtgewicht, ein geringeres Systemvolumen, eine einfachere Betriebsweise mit schnellerem Ansprechverhalten, bessere Dynamik und geringere Investitions- und Betriebskosten mit sich. Also im Prinzip alles, was die Ingenieure erreichen wollen.

Jedoch ist die DMFC bisher noch im Entwicklungsstadium, da gewisse Probleme noch nicht gelöst sind. So wandern bisher immer noch Methanol-Moleküle direkt durch die PEM hindurch (Permeation genannt), was zu Brennstoffverlust, einer Verunreinigung an der Kathode und damit resultierend einer reduzierten Spannung führt. Man sucht daher verstärkt nach neuen Kunststoffen für die PEM, die eine geringere Permeabilität aufweisen. Ein weiteres Problem ist die Bildung von giftigem Kohlenmonoxid (CO) an der Anode, das die Katalysatoren angreift und die Geschwindigkeit (Kinematik) der Methanoloxidation herabsetzt.


Funktionsweise einer DMFC:


Auf der Anodenseite strömt ein Gemisch aus Methanol und Wasser an die PEM. An der Katalysatorschicht wird der im Methanol (CH3OH) bzw. im Wasser (H2O) gebundene Wasserstoff abgetrennt und in Protonen und Elektronen zerlegt. Wie auch bei der PEM-Brennstoffzelle können die Wasserstoff-Protonen durch die PEM hindurchwandern, während die Elektronen auf der Anodenseite bleiben.

Es kommt also zu einem Elektronenmangel (+) auf der Kathodenseite und einem Elektronenüberschuss (-) an der Anodenseite. Um einen Ladungsausgleich zu erreichen, wandern die Elektronen daher ebenso wie bei der PEM-Brennstoffzelle über einen äußeren Stromkreis zur Kathode und erzeugen somit einen elektrischen Strom, der von einem Verbraucher genutzt werden kann.

Auf der Anodenseite reagieren die verbleibenden Sauerstoff-Atome des Wassers mit den Sauerstoff- und Kohlenstoff-Atomen des Methanols zu Kohlendioxid (CO2). Die Wasserstoff-Protonen, die durch die PEM gewandert sind, reagieren auf der Kathodenseite mit den Elektronen und dem Sauerstoff zu Wasser. Damit laufen also folgende chemischen Reaktionen in der DMFC ab:

Anodenreaktion: CH3OH + H2O -----> CO2 + 6 H+ + 6 e-
Kathodenreaktion: 1,5 O2 + 6 H+ + 6 e- -----> 3 H2O

Gesamtreaktion: CH3OH + 1,5 O2 -----> CO2 + 2 H2O