Direkte Methanol‐Brennstoffzelle (DMFC): Analyse experimenteller Miniplant‐Bilanzdaten auf Basis der Maxwell‐Stefan‐Gleichungen

Die Direkte Methanol-Brennstoffzelle (DMFC) ist ein vielversprechender Ansatz für eine mobile Quelle elektrischer Energie. Insbesondere ist der Energieträger ("Brennstoff") Methanol weitaus handhabungsfreundlicher als Wasserstoffgas, was Vorteile insbesondere bei kleinen Brennstoffzellensystemen bedeutet (kompaktere Abmessungen des Tanks wegen hoher Energiedichte des Methanols, kein Drucktank, einfacheres Nachtanken als bei Wasserstoff, weniger Probleme hinsichtlich Sicherheitsaspekten). Demgegenüber erreicht die DMFC jedoch deutlich geringere Leistungsdichten, als die mit Wasserstoff versorgten Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC). Die wesentlichen Gründe hierfür sind die langsamere Reaktionskinetik der elektrochemischen Methanoloxidation verglichen mit der elektrochemischen Wasserstoffoxidation sowie der unerwünschte Durchtritt von Methanol und Wasser durch die ionenleitende Membran (PEM) von der Anode zur Kathode (sog. Crossover-Effekt) [1]. Die Stofftransportvorgänge im Inneren der Membran werden mit Hilfe von mathematischen Modellen analysiert, welche auf den verallgemeinerten Maxwell-Stefan-Gleichungen basieren. Die Simulationsergebnisse werden mit experimentellen Bilanzdaten verglichen, die an einer vollautomatischen Miniplant-Anlage gewonnen wurden. Diese Anlage erfasst über eine Reihe von Online-Sensoren alle relevanten Stoffströme, welche in die Brennstoffzelle eintreten bzw. sie verlassen. Zusammen mit dem gemessenen elektrischen Zellstrom können aus diesen Informationen sämtliche innerhalb der Brennstoffzelle fliessenden Stoffströme berechnet werden, insbesondere die Crossover-Ströme von Methanol und Wasser durch die Membran [2]. Die daraus gewonnenen Stofftransportparameter werden in einem Gesamtmodell der DMFC verwendet, mit welchem schliesslich Simulationsrechnungen zum Betriebsverhalten der DMFC durchgeführt wurden. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf dem dynamischen Antwortverhalten, z.B. unter Einfluss von Lastwechseln oder bei geänderter Brennstoffzufuhr. Literatur: [1] Schultz T, Zhou S, Sundmacher K, Chem. Eng. & Techn. 24 (2001) 12-22 [2] Schultz T, Dissertationsschrift in Vorbereitung, O.-v.-G. Universität Magdeburg (2003