Methanol-Brennstoffzelle

Momentan wird intensiv nach Alternativen für die Brennstoffmotoren in Autos gesucht. Hierbei gewinnt das Elektroauto zunehmend an Beliebtheit und wird immer mehr produziert. Doch selbst zu dem jetzigen E-Auto gibt es bereits eine Alternativlösung. Dabei handelt es sich um die Methanol-Brennstoffzelle, auch Direkt-Methanol-Brennstoffzelle, kurz DM-Brennstoffzelle oder DMFC (vom Englischen: Direct Methanol Fuel Cell) genannt.

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.

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:

$2{\mathrm{CH}}_3\mathrm{OH}+3{\mathrm{O}}_2\to 4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2{\mathrm{CO}}_2$

Anwendung der Methanol-Brennstoffzelle

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: Vor- und Nachteile

Im Folgenden findest Du alle Vor- und Nachteile der Methanol-Brennstoffzelle: