Direktmethanolbrennstoffzelle



Das Direktmethanolbrennstoffzelle (engl. Direct Methanol Fuel Cell , DMFC ) is a Niedrigtemperatur- Brennstoffzelle mit Zelltemperaturen between 60 und 120 ° C Wer Brennstoffzellen allen Gesellschaftsschichten sie chemische Energie in elektrische Energie um. Wenn Energielieferanten Nutzt sie Methanol , den einfachsten Vertreter Stoffgruppe der aus der Alkohole , der Wobei Brennstoff zumeist als Wässrige Methanollösung zugeführt Wird, seltener als gasförmiges Methanol-Wassergemisch. Wenn kathodisches Oxidationsmittel Wurde die Brennstoffzelle in der Regel  Luft , in reinen SonderfällenSauerstoff , zugeführt. Die Trennung der Zellenteile (Kathoden- und Anodenraum) erfolgt durch eine spezielle ionendurchlässige Polymermembran, bei der es sich um Protonen  -Austausch-Membran (PEM) handelt .

Die WICHTIGSTEN Anwendungen von Direktmethanolbrennstoffzellen liegen oder bei den Mobilen netzunabhängigen Stromversorgung kleinen Elektrogeräten, z. B. beim Camping , militärisch für Geräte im Feld oder entlegene Mess – Stationen . BESONDERS vorteilhaft ist hier eine der DMFC that sie, in Kombination mit Einem Wechselrichter , and a schnelle Lautlose wartungsarme Alternative für oder Benzin- stirbt elbe bene Spektrometrie  Stromaggregate  darstellt.

Diejenigen theoretischen Spannung liegt bei 1,2 V. Einer Einzelzelle [1] Die tatsächliche Spannung Liegt im Betrieb typischerweise Deutlich Niedriger, nämlich um 0,5 V. [1] Der mit Wirkungsgrad Wird mit 20 bis 30% Informationen angegeben. [1]

Prinzip

Wie sollte Brennstoff bei der DMFC Methanol (CH 3 OH), das – sonst , wenn bei der ohne indirecten Methanolbrennstoffzelle vorherige Reformierung – zusammen mit Wasser der Anodezugeführt und dort oxidiert Wird. Bei Waren dieser Reaktion entstehen H + Ionen , freie Elektronen Sowie, wie Abgas,  CO 2 . Die  Kathode  Wurde das Oxidationsmittel (Luft-) Sauerstoff zugeführt, Welcher mit daraufhin H + -Ionen unter Aufnahme von Elektronen  zu Wasser reagiert.

Problem ist bei der DMFC der Umstand, sterben Dass Durch Methanol Membran von der zur Anode Kathode wandert „Methanol Cross-Over“ genannt Wird war. Einerseits Tritt dabei auf einen Brennstoffverlust, andererseits Wird Durch Unerwünschte Methanoloxidation an der die Kathode elektrisches Potenzial verringert (Mischpotential) und die Zell mit Wirkungsgrad sinkt. Die Reduzierung of this technische Probleme sind gegenstand aktueller Forschungen. [2] Durch Eine neu entwickelte Kompositmembran der Fraunhofer – Institute , unter verwendung von Ethanolals Brennstoff, Lässt sich das Cross-Over um den Faktor Hundert verringern (Stand- Mai 2009). [3]

Reaktionsgleichungen

Gleichung
Anode
Minuspol
{\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH + H_ {2} O \ bis 6 \ H ^ {+} + 6 \ e ^ {-} + CO_ {2}}}
Oxidations / Elektronenabgabe
Kathode
Pluspol
{\ displaystyle \ mathrm {3 \ O_ {2} +12 \ H ^ {+} + 12 \ e ^ {-} \ bis 6 \ H_ {2} O}}
Reduktion / Elektronenaufnahme
Gesamtreaktion {\ displaystyle \ mathrm {2 \ CH_ {3} OH + 3 \ O_ {2} \ bis 4 \ H_ {2} O + 2 \ CO_ {2}}}
Redoxreaktion / Zell-Reaktion

Der innere Ladungstransport erfolgt durch H + -Ionen. Auf der Anodenseite benötigt, dass Reaction Wasser und produziert auf der Kathodenseite. Um den Wasserbedarf auf der Anodenseite zu erfüllen, ist ein aufwändiges Wassermanagement erforderlich. Realisiert wird das a) durch Rückdiffusion durch die Membran und Befeuchtung der Edukte .

Historisches

Das Prinzip der Direktmethanolzelle (DMFC) trug 1951 von Karl Kordesch und A. Marko vorgeschlagen, an denen die Damen der Universität Wien arbeiten. Dabei verwöhnt sie allerdings auch andere Alköhle oder Aldehyde als mögliche Brennstoffe. [4] Sie bereitet Elektroden aus Kohlenstoff mit Platin als Katalysator vor. [5] Die übliche Forschung und Erprobung der DMFC begann in den 1960er Jahren, versicherte auch durch die Ölfirmen Esso und Shell . [4] Intensiver Wird die Forschung in den 1980er Jahren, wie sie z. B. Durch Die EU Gefördert Wird, [4], aber Auch Durch Hitachi , ein dieGolfplatzfahrzeug mit DMFCs ausstatten. In den 1990er Jahren intensivierte die DMFC, die im Los Alamos National Laboratory versichert war, erbliche Rechte. [6] Dabei wurde zuerst im Hintergrund auf eine Nutzung der Direktmethanolrensorbenzeln im Elektroautos gearbeitetet; [7] im Vergleich zur indirecten, EIN Reformator erfordernden fuel cell, Wie sie im 1997 Mercedes-Benz NECAR 3 used Wird, ich Ergibt Eine Konstruktion einfacher.

In den Prototypen JAHRE von 2000 bis 2010 gerechnet wird viele kleinere Direktmethanolbrennstoffzellen für Anwendungen in der Elektronik Mobile demonstriert, z. B. zur Stromversorgung von Laptops [8] , MP3 – Spielern [9] oder von Handys [10] BZW. Smartphones [11] . Die Erwartungen auf eine breite Marktführung erreichten in den Jahren 2005 und 2006 ihren Höhepunkt. [12] Die Unternehmen, die soliden DMFC-Geräte angekündigt, auch Motorola , Japanischen Elektronikkonzerne Sony , Toshiba , NEC und Fujitsu . [13]Kaum eine dieser Entwicklungen wurde dann tatsächlich Markt. [12] Manche, die z. B. des von Toshiba 2009 Erhältliche Ladegerät [14] , waren nur kurze Zeit verfügbar. Ein Grund für den Erfolg mangelnde von DMFC für stirbt Elektronik Mobil des Waschbecken Einkommen Preis von und zunehmender Leistungsfähigkeit gewagt sterben Lithiumionenbatterien Signal, jene Konstruktion BESONDERS Kompakter tragbare Elektronik ermöglicht.

Erfolgreicher als Versuche welche DMFC für sterben Elektronik des Heimanwenders zu Nutzen, [12] ist sterben anwendung der DMFC fern der Strom Netz: Das 2000 gegründete Unternehmen SFC Energy (von 2002 bis 22. Juli 2010 als Smart Fuel Cell GmbH) [15] verkauft DMFC Stromversorgungen z. B. für den Campingbedarf oder für netzunabhängige Messeinrichtungen. Bis Mai 2017 hat SFC Energy nach properen Angaben 36.000 Direktmethanolbrennstoffzellen verkauft. [16] Außer SFC ist weder Oorja Protonics, Inc. noch ein aktiv im DMFC-Markt tätiges Unternehmen. [17]

Sonderformen der Direktmethanolbrennstoffzelle

Anstelle des Luftsauerstoffs auf der Anodenseite wurden auch andere Oxidationsmittel verwendet, zB Salpetersäure oder Wasserstoffperoxid . Das könnte zB für Anwendungen unter Wasser sinnvoll sein, in denen der Sauerstoff nicht in der Umgebung zur Verfügung steht.

Siehe auch

  • Blockheizkraftarbeit
  • Nahwärme
  • SFC Energy , ein Instandsetzer von Direktmethanol-Brennstoffzellen und darauf Basierenden Stromerzeugungssystemen

Einzelstunden

  1. ↑ Hochspringen nach:a c Peter Kurzweil: Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) . In: Brennstoffzellentechnik . Grundlagen, Komponenten, Systeme, Anwendungen. 2. Auflage. Springer Vieweg Fachmedien Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-658-00084-4 , S.  125-142, doi : 10.1007 / 978-3-658-00085-1_5 ( springer.com [abgerufen am 18. Juni 2017]), .
  2. Hochspringen↑ DMFC, Forschungszentrum Jülich
  3. Hochspringen↑ Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB: Kompositmembran für Brennstoffzelle
  4. ↑ hochspringen nach:a c D. S. Cameron, GA Hards, B. Harrison, RJ Potter: Direct Methanol Fuel Cells . Jüngste Entwicklungen auf der Suche nach verbesserter Leistung. In: Johnson Matthey Plc (Hrsg.): Platinum Metals Review . Band  31, Nr.  4. Oktober 1987, S.  173-181 (englisch, Startseite der Produkte [PDF, 562  kB; abgerufen am 14. Juni 2017] Geschichte Zusammenfassung des bis 1987): „Weitgehend Artikel basiert auf einem paper’ve an der CEC ltalian gegeben Fuel Cell Workshop in Taormina, Sizilien, im Juni 1987. „
  5. Hochspringen↑ Angelika Heinzel, Marcella Cappadonia, Ulrich Stimming, Karl V. Kordesch, Tambasco Julio Cesar De Oliveira: Fuel Cells . In: Ullmanns Encyclopedia of Industrial Chemistry . Wiley-VCH, 2010, doi : 10.1002 / 14356007.a12_055.pub2 (englisch).
  6. Hochspringen↑ Xiaoming Ren, Piotr Zelenay, Sharon Thomas, John Davey, Shimshon Gottesfeld: Jüngste Fortschritte in der Direkt – Methanol – Brennstoffzellen in Los Alamos National Laboratory . In: Tagebuch der Energiequellen . Band 86, Nr.  1. Elsevier, 1. März 2000, S. 111-116, doi : 10.1016 / s0378-7753 (99) 00407-3 ( sciencedirect.com [abgerufen am 20. Juni 2017]).
  7. Hochspringen↑ Xiaoming Ren, Mahlon S. Wilson, Shimshon Gottesfeld: Über direkte und indirekte Methanol-Brennstoffzellen für Transportanwendungen . 1. September 1995 ( osti.gov [abgelaufen am 20. Juni 2017]).
  8. Hochspringen↑ Birgit Niesing: Mini-Stromlieferant mit Methanol. Wer ist der Stand der Dinge mit Methanol-Zellen? In: Mini-Kraftwerke für Zuhause und unterwegs. scinexx® MMCD NEUE MEDIEN GmbH, 12. Oktober 2007; abgerufen am 19. Juni 2017 : „Dieser Zelltyp läst sich zum Beispiel im Klappdeckel eines Laptops unterbringen.“
  9. Hochspringen↑ Toshibas Methanol-Brennstoffzelle. Digital Photography Review DPReview, 24. Juni 2004; abgerufen am 19. Juni 2017 : „Einen MP3-Musikplayer für bis zu 20 Stunden betreiben“
  10. Hochspringen↑ Janko: MTI MicroFuel Zellen Mobion – Genug Saft für zehn Handys. In: testberichte.de, Foto, Video & Optik> Ladegeräte> USB-Ladegeräte> MTI MicroFuel Zellen Mobion. Produkt AG, 11. Dezember 2008; abfangen am 20. Juni 2017 : „soll es ermöglichen, ein Handy bis zu mehreren hintereinander aufzulanden“
  11. Hochspringen↑ mak: Methanol-Antrieb für Smartphones. Brennstoffzellentechnik. In: Nachrichten> Netzwelt> Gadgets> Toshiba. Spiegel Online GmbH, 22. Oktober 2009; abfangen am 19. Juni 2017 .
  12. ↑ Hochspringen nach:a c Kerry-Ann Adamson: Was ist mit Methanol-Direkt-Brennstoffzellen passiert? In: Navigationsforschung Blog. Navigant Consulting, Inc., 13. Juni 2012; abfangen am 19. Juni 2017 .
  13. Hochspringen↑ Xianglin Li, Amir Faghri: Bewertung und Fortschritte oder Direktmethanol – Brennstoffzellen (DMFC) Teil I: Entwicklung, Herstellung und Prüfung mit hohen Konzentration Methanollösungen . In: Tagebuch der Energiequellen. Band 226. Elsevier BV, 2013, 3. Fortschritte bei der Entwicklung und Entwicklung von DMFC-Prototypen, 3.2. DMFCStapel Entwicklung hohe Methanolkonzentration verwenden, S. 223-240, doi : 10.1016 / j.jpowsour.2012.10.061 (Englisch, researchgate.net [PDF; abgerufen am 11. November 2016]): „The state-of-the – DMFC-Prototypen und -Produkte sind wettbewerbsfähiger als wiederaufladbare Batterien, insbesondere in Anwendungen wie dem militärischen Einsatz. „
  14. Hochspringen↑ Toshiba startet in Japan eine Direkt-Methanol-Brennstoffzelle als externe Stromquelle für mobile elektronische Geräte. In: Toshiba Pressemitteilungen. Toshiba Corporation, 22. Oktober 2009; abgeraufen am 14. Juni 2017(deutsch): „Dynario ™, eine externe Stromquelle, die mobile digitale Endverbraucherprodukte […] in limitierter Auflage oder nur 3.000 Stück mit Strom versorgt“
  15. Hochsingen↑ SFC Energy AG: Neue Firmierung: Aus Die SFC Smart Fuel Cell AG war die SFC Energy AG. DGAP – ein Service der EQS Group AG, 22. Juli 2010; abgeraufen am 14. Juni 2017 .
  16. Hochspringen↑ SFC Energy erhält Auftrag der Bundeswehr zur Erweiterung der Mobiler Kleinstenergieversorgung (MKEV). In: SFC Pressemitteilung. SFC Energy AG, 30. Mai 2017; abgeraufen am 14. Juni 2017 .
  17. Hochspringen↑ Oorja Protonics, Inc. Direkte Methanol-Brennstoffzellen April 2016

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