Lageunabhängiges portables Energiesystem auf Basis einer Mikro-Direktmethanol Brennstoffzelle

Projektziel:

Der Konsum von Elektronik-Kleingeräten wie z.B. Navigationssystemen, Handys und MP3-Playern - und damit der Bedarf an effizienten und preiswerten Energiesystemen - wächst ständig. Insbesondere in abgelegenen Regionen bzw. Umgebungen ohne Netzanschlüsse ist die autarke Energieversorgung solcher Geräte noch sehr beschränkt, und hängt prinzipiell nur von der inhärenten Kapazität der eingebauten Batterien bzw. Akkumulatoren ab. Mit einer bis zu ca. 50fach höheren Energiedichte als konventionellen Akkumulatoren wird Methanol als attraktiver Energielieferant in einer Direktmethanol-Brennstoffzelle, die eine direkte Umwandlung der chemischen in elektrische Energie ermöglicht, auch für größere Anwendungen häufiger in Betracht gezogen. Im Projektzeitraum soll für Elektronik- Kleingeräte ein portables lageunabhängiges Ladegerät auf Basis einer Mikro-Direktmethanol-Brennstoffzelle (µ-DMFC) im 5 W-Bereich mit USB-Anschluss entwickelt werden. Die technischen Herausforderungen bestehen hierbei in der Optimierung und Miniaturisierung der unterschiedlichen Systemkomponenten, so z.B. der Membran-Elektroden-Einheit, des Methanol/Wasser-Mikromischers und der Methanol/Kohlendioxid-Trennmembran.

Hintergründe:

In einer DMFC wird Methanol an der Anode mit Wasser unter Abgabe von Elektronen an den äußeren Stromkreis direkt zu Protonen und Kohlendioxid oxidiert:

Anode:                CH₃OH + H₂O → 6 H⁺ + 6 e^- + CO₂
Kathode:     3/2 O₂ + 6 H⁺ + 6 e^-→ 3 H₂O
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Brutto:              CH₃OH + 3/2 O₂ → 2 H₂O + CO₂

Das Methanol kann prinzipiell entweder in flüssiger oder in gasförmiger Form zugeführt werden. Unter dem Einfluss des elektrischen Felds wandern die Protonen von der Anode durch einen Polymermembran-Elektrolyten zur Kathode und reagieren mit Sauerstoff zu Wasser. Üblicherweise werden PtRu und Pt als Anoden- bzw. Kathodenkatalysator sowie eine fluorierte Polymermembran vom Typ Nafion117 als Elektrolyt verwendet. Elektroden und Membran werden bei ca. 130°C verpresst und bilden eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (engl. MEA) .

Die theoretische Ruhespannung einer galvanischen Zelle ergibt sich aus den einzelnen Zellpotentialen und beträgt bei der DMFC ca. 1,2 V. In der Praxis liegt die Zellspannung im stromlosen Betrieb eher zwischen ca. 0,7 bis 0,8 V. Dies ist zum einen auf die hohe Überspannung der Sauerstoff-Reduktionsreaktion und zum anderen auf eine Mischpotentialbildung an der Kathode zurückzuführen, die als Folge des sogenannten Methanol-Crossovers zustande kommt. Da der Protonentransfer innerhalb der sulfonierten Polymermembranen streng an den zur Verfügung stehenden Wassermolekülen (Solvat-Hülle) gekoppelt und Methanol mit Wasser beliebig mischbar ist, lässt sich dieses Phänomen nur durch Modifizierung bzw. Beschichtung der Membran mildern, was aber in der Regel zur Abnahme der ionischen Leitfähigkeit bzw. Zellleistung, insbesondere bei hoher Stromdichten, führt.

Während in der Wasserstoff-Brennstoffzelle die gesamte Leistung der Zelle vorwiegend durch die langsame Kinetik der Sauerstoffreduktion limitiert ist, zeichnet sich die DMFC durch noch wesentlich höhere Durchtrittswiderstände an der Anode negativ aus, welche auf die starke Bindung zwischen Adsorbaten, wie z.B. Kohlenmonoxid, an Pt zurückzuführen sind. Deshalb werden in der Regel hohe Katalysatorbeladungen von bis zu 4 mg Pt cm^-2 eingesetzt. Damit können Leistungsdichten von bis ca. 100 mW bzw. 60 mW mit Sauerstoff bzw. Luft bei ca. 0,4 V und 80°C an einer Einzelzelle erzielt werden. Die Zellleistung hängt aber nicht nur von der Kinetik der Elektrodenreaktionen, sondern auch vom An- bzw. Abtransport der Reaktionsedukte bzw. -Produkte innerhalb der Reaktions-, Diffusionsschichten und Versorgungskanäle ab. Umso wichtiger stellen sich die Aufgaben zur Optimierung der Porosität dieser Schichten, der Katalysatorzugänglichkeit sowie der Geometrie der Versorgungskanäle. Um die gewünschte Spannung zu erhalten, werden Zellen mit Hilfe von Bipolarplatten zu einem Stapel (engl. Stack) in Serie geschaltet.

Konzept:

Auf der Basis einer methanolbetriebenen Mikrobrennstoffzelle soll im vorliegenden Vorhaben das Funktionsmuster eines lageunabhängigen portablen Ladegerät der Leistungsklasse 5 W für kleine Elektrogeräte am ZBT entwickelt werden. Das Ladegerät soll aus den folgenden Hauptkomponenten bestehen:
• Mikro-Direktmethanol-Brennstoffzelle (KWI),
• Li-Ionen-Akkumulator (kommerziell),
• mikrostrukturierter Methanol/Wasser-Mischer (IMVT),
• mikrostrukturiertes CO₂-Entgasungs- bzw. Feuchterückgewinnungsmodul (IMVT).

Der Mikro-DMFC-Stack soll aus ca. 10-12 Einzelzellen bestehen und eine Gesamtleistung von ca. 5 W bei einer Betriebstemperatur von 40-60°C liefern. Die Energiebereitstellung am Ladegerät soll über einen USB-Anschluss erfolgen.

Abb. 1: Konzept für das Ladegerät mit den unterschiedlichen Komponeneten

Das IGF-Vorhaben Nr. der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.