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Methanol-Brennstoffzelle

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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.

Eine Methanol-Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, die mithilfe von Methanol und Sauerstoff funktioniert. Durch diese Reaktion wird Energie frei. Die Energie kann zum Antreiben weiterer Systeme genutzt werden.

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.

Methanol-Brennstoffzelle Aufbau StudySmarterAbbildung 1: Methanol-BrennstoffzelleQuelle: researchgate.net

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.

Das Problem bei DMFCs ist das Wandern von Methanol von der Anode zur Kathode durch die Membran. Einerseits geht Brennstoff verloren, andererseits wird das Potenzial minimiert und der Zellwirkungsgrad sinkt. Die Reduzierung dieses technischen Problems ist Gegenstand aktueller Forschungen.

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.

Methanol-Brennstoffzelle Funktionsweise StudySmarterAbbildung 2: Funktionsprinzip der DMFCQuelle: e-genius.at

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.

Methanol-Brennstoffzelle Anodenreaktion StudySmarter

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.

Methanol-Brennstoffzelle Kathodenreaktion StudySmarter

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:

Methanol-Brennstoffzelle Gesamtreaktion StudySmarter

Anwendung der Methanol-Brennstoffzelle

Die DMFC ist eine vielfältig anwendbare Brennstoffzelle, da diese auch bei 60-130 °C gebraucht werden kann. Das ist eine höhere Temperatur als für den Gebrauch von Wasserstoff-Brennstoffzellen (PEM).

Zudem ist Methanol der elektrochemisch aktivste, bekannte organische Brennstoff, jedoch immer noch etwa 1000-fach inaktiver als Wasserstoff.

Das DMFC-System zeigt zwar geringere Leistungsdaten als die Wasserstoff-Brennstoffzelle. Dafür werden keine gesonderten Bedingungen wie beispielsweise Gasbefeuchtung, Luftkühlung und Umwandlung benötigt. Somit ist der größte Vorteil der DMFC gegenüber der PEM-Brennstoffzelle, dass diese bei höheren Temperaturen genutzt werden kann und dabei als unkompliziert gilt. Dafür spart man bei der DMFC an Effektivität.

Methanol-Brennstoffzelle Modell StudySmarterAbbildung 3: Modell der Methanol-BrennstoffzelleQuelle: wikipedia.org

Ölfirmen und Automobilzulieferer bemühten sich Anfang der 1960er-Jahre, DMFCs für mobile und tragbare Anwendungen einzusetzen.

Doch trotz der Einfachheit des DMFC-Systems gibt es auch Schwierigkeiten. Bei einer Laufzeit von 3000 Stunden oder einer Zellspannung von 10 µV/h nahm die Stromdichte ab oder zu, Methanol durchdrang die semipermeable Membran und senkte damit die Zellspannung.

Momentan werden weitere Forschungen verfolgt, die durchbruchsichere Membranen und weitere kleinere Problembehebungen untersuchen.

Tragbare Anwendung

Die aktuelle PEM-DMFC-Technologie ist für stationäre Systeme und Elektrofahrzeuge nicht ausreichend. Prinzipiell können DMFCs Rasenmäher, Mopeds und Generatoren antreiben. Der DMFC-Markt für tragbare Computer und Kameras wächst.

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 in Autos:

Beim Antriebskonzept wird das Auto nicht mit Wasserstoff betankt, da das technisch aufwendig und teuer ist. Stattdessen wird das Methanol-Wasser-Gemisch in den Tank gegeben.

Das Gemisch erwärmt sich erst im Auto selbst und zerfällt in seine Bestandteile. Sauerstoff und Kohlendioxid entweichen in die Luft. Durch die Verwendung von klimaneutralem Methanol entstehen keine zusätzlichen Treibhausgasemissionen. Die Brennstoffzelle wandelt den Wasserstoff im Methanol in Strom um, der den Elektromotor antreibt.

Methanol-Brennstoffzelle: Vor- und Nachteile

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

Vorteile

Nachteile

einfaches System ohne Brennstoffumwandlung

Inaktivierung der Kathode durch ungewollte Methanoloxidation

bei Temperaturen von −97 bis 64 °C flüssig und bei -97 bis 130 °C anwendbar

Wenig aktiver Anodenkatalysator

Handhabung, Speicherung und Transport von Methanol sind ähnlich wie bei herkömmlichen flüssigen Brennstoffen (z. B. Benzin oder Diesel) und nicht so kompliziert wie bei Brenngasen (z. B. Wasserstoff), die mit hohen Drücken und/oder bei tiefen Temperaturen gespeichert werden müssen

Methanoldurchtritt durch die Membran auf die Kathodenseite durch Diffusion und Elektroosmose: Dadurch verliert man nicht nur einen Teil des Brennstoffs, sondern auch die Zellspannung wird herabgesetzt

Methanol ist giftig und korrosiv

in der Zelle entsteht das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid

Vergleich Methanol- und Wasserstoff-Brenstoffzelle

Die Wasserstoff-Brennstoffzelle stellt die größte Konkurrenz für die Methanol-Brennstoffzelle dar. In der Tabellle siehst Du ihre jeweiligen Eigenschaften im Vergleich zueinander:

Methanol-BrennstoffzelleWasserstoff-Brennstoffzelle
Systemumständekeinereine Gase, hohe Drücke und Temperaturen bei Speicherung, Handhabung und Transport
Verwendungstemperatur -90 bis 130 °C20-80 °C oder 130-200 °C
Leistung<0,001–100 kW0,1–500 kW
Gegen-ElektrodeLuft oder SauerstoffLuft oder Sauerstoff
ElektrolytPolymer-MembranPolymer-Membran
Anwendungmobile Stromquellen und begrenzt AutobauAutobau, Raumfahrt, als mobile Stromquelle und zur Hausenergieversorgung

Methanol-Brennstoffzelle - Das Wichtigste

  • Aufbau besteht aus:
    • Zwei Elektroden, denen an der Anode Wasser und Methanol und an der Kathode Sauerstoff zugefügt wird,
    • einer semipermeablen Membran, die die Räume der Elektroden voneinander trennt.
  • Gesamtgleichung: Methanol-Brennstoffzelle Gesamtreaktion StudySmarter.
  • Theoretisch bei -97 °C bis 130 °C anwendbar.
  • Einfaches System ohne großartige Umstände.
  • Methanol durchtritt teilweise die semipermeable Membran, was zu Energieverlust führt.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Methanol-Brennstoffzelle

Methanol wird zusammen mit Wasser an der Anode zu Kohlenstoffdioxid gespalten. Die daraus resultierenden Elektronen wandern über die Elektronenbrücke zur Kathode. Das ist der genutzte Strom. Die Protonen von der Anode wandern durch eine Membran zur Kathode. Elektronen und Protonen reagieren dann zusammen mit Sauerstoff zu Wasser. Die entstandenen Produkte werden aus den Reaktionsräumen rausgeleitet.

Im Jahr 2021 betrug der durchschnittliche Preis für Methanol rund 505 Euro je Tonne (Stand: Dezember 2021).

Ja, da Methanol bei normalen Umgebungstemperaturen flüssig ist, kann man ihn tanken. Jedoch ist dies noch nicht für den Normaleverbrauen zu Verfügung gestellt, da auch die Autos mit Methanol-Brennstoffzellen noch nicht auf dem Markt etabliert sind.

Die technische Herstellung von Methanol erfolgt ausschließlich im katalytischen Prozess von Synthesegas, das eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff im Verhältnis von etwa 1:2 ist.

Finales Methanol-Brennstoffzelle Quiz

Frage

Welche Reaktion findet an der Anode der Methanol-Brennstoffzelle statt?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Welche Reaktion findet an der Kathode der Methanol-Brennstoffzelle statt?

Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Wie lautet die Gesamtreaktion der Methanol-Brennstoffzelle?


Antwort anzeigen

Antwort


Frage anzeigen

Frage

Welche Art von Teilchen lässt die semi-permeable Membran passieren?


Antwort anzeigen

Antwort

Die semi-permeable Membran lässt Protonen passieren.

Frage anzeigen

Frage

Bei welcher Temperatur ist die Methanol-Brennstoffzelle anwendbar?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Methanol-Brennstoffzelle ist bei -97-130°C anwendbar.

Frage anzeigen

Frage

Welche Stoffe werden der Kathode zugeführt?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Kathode wird nur Sauerstoff zugeführt.

Frage anzeigen

Frage

Welche Stoffe werden der Anode zugeführt?


Antwort anzeigen

Antwort

Der Anode werden Wasser und Methanol zugeführt.

Frage anzeigen

Frage

Welche Auswirkungen hat es, wenn Methanol die Membran passiert?


Antwort anzeigen

Antwort

Wenn Methanol durch die Membran diffundiert, führt dies zu Verlust von Brennstoff, Herabsetzung der Zellspannung, Inaktivierung der Kathode und Abnahme der Effektivität.

Frage anzeigen

Frage

Welche Aussage stimmt nicht?


Antwort anzeigen

Antwort

Methanol ist ungiftig

Frage anzeigen

Frage


Wie ist eine Methanol-Brennstoffzelle aufgebaut?

Antwort anzeigen

Antwort

Frage anzeigen

Frage

In welcher Industrie wird momentan stark über die Verwendung der Methanol-Brennstoffzelle nachgedacht?

Antwort anzeigen

Antwort

In der Automobilindustrie.

Frage anzeigen

Frage

Nenne zwei Vorteile und zwei Nachteile der Methanol-Brennstoffzelle.

Antwort anzeigen

Antwort

Vorteile


1. einfaches System ohne Brennstoffumwandlung 

2. bei Temperaturen von −97 bis 64°C flüssig ist und bei -97 bis130°C anwendbar 


Nachteile


1. Methanoldurchtritt durch die Membran auf die Kathodenseite durch Diffusion und Elektroosmose. Dadurch verliert man nicht nur einen Teil des Brennstoffs, sondern auch die Zellspannung wird herabgesetzt.

2. Methanol ist giftig und korrosiv


Frage anzeigen

Frage

Welcher anderen Brennstoffzelle ähnelt die Methanol-Brennstoffzelle? Nenne zwei Aspekte in denen sich die beiden Brennstoffzellen nicht ähneln.

Antwort anzeigen

Antwort

Die Methanol-Brennstoffzelle ähnelt der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Unterschiede sind: 

1. das benutzte Gas

2. die Umstände und Bedingungen der Zelle

3. die Aktivität

Frage anzeigen

Frage

In welchen tragbaren Systemen ist die Methanol-Brennstoffzelle anzutreffen?


Antwort anzeigen

Antwort

In Methanol-Brennstoffzelle ist in Rasenmähern, Kameras, Laptop, Mopeds und Generatoren anzutreffen.

Frage anzeigen

Frage

Wieso ist die Methanol-Brennstoffzelle umweltschädlich?


Antwort anzeigen

Antwort

Die Methanol-Brennstoffzelle ist umweltschädlich, da bei ihren Reaktionen Kohlenstoffdioxid entsteht, welches ein Treibhausgas ist.

Frage anzeigen
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