Neuartige Brennstoffzelle: Periodischer Betrieb schafft neue Energie
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg um Prof. Kai Sundmacher haben ein verbessertes Verfahren zur elektrochemischen Oxidation in Brennstoffzellen entwickelt. Das Verfahren ermöglicht eine optimale Ausnutzung der gespeicherten chemischen Energie durch periodische statt kontinuierliche Arbeitsweise. Die Methode wurde durch die Garching Innovation GmbH, München, der Verwertungsgesellschaft der Max-Planck-Gesellschaft für Erfindungen, zum Patent angemeldet. Das Thema Brennstoffzellen ist Schwerpunkt der neuesten Ausgabe der "MaxPlanckForschung", dem Wissenschaftsmagazin der Max-Planck-Gesellschaft.
Die Vorzüge von Brennstoffzellen für eine effiziente und umweltschonendere Energieerzeugung sind immens. Theoretisch ließe sich fast die gesamte Energie des Brennstoffs - zum Beispiel eine wässrige Methanol-Lösung - in Strom umwandeln. Praktisch stehen dem aber einige Hindernisse entgegen, die Wissenschaftler noch überwinden müssen. Eines dieser Hemmnisse ist die relativ langsame Kinetik der Methanoloxidation an der Katalysator-Anode. Ein Grund dafür sind Ablagerungen von nur teilweise oxidierten Zwischenprodukten des Methanols wie Formaldehyd, Methansäure und Kohlenmonoxid auf dem Platin/Ruthenium-Katalysator der Anode. Um dennoch einen elektrischen Stromfluss in der Brennstoffzelle zu erzielen, sind bislang hohe Überspannungen an der Anode erforderlich. Ein weiteres Problem der Methanol-Brennstoffzellen ist das an der Anode freigesetzte Kohlendioxid. Die aufsteigenden Blasen verringern ebenfalls die elektrochemisch aktive Katalysatoroberfläche. Dies wiederum führt zu einem Abfall der Stromdichte.
Drittens bereitet auch die Teildurchlässigkeit von Polymer-Elektrolytmembranen für Methanol den Wissenschaftlern noch Kopfzerbrechen. Denn dadurch gelangt ein Teil des Methanols zur Kathode, an der es schnell oxidiert wird. Folge: Die Zellspannung fällt umso geringer aus, je höher die Methanol-Konzentration ist. "Die messbare Zellspannung liegt deutlich unter den Werten, die sich aus thermodynamischen Berechnungen ergeben würden", sagt Sundmacher vom Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg.
m Rahmen seiner Arbeitsgruppe "Physikalisch-Chemische Verfahren" sucht der Wissenschaftler nach noch ungenutzten Möglichkeiten zur praktischen Verbesserung der Effizienz von Brennstoffzellen. Die Idee dabei war, durch bewusst dynamische Betriebsführungen die Umsatzleistung chemischer Reaktionen in Brennstoffzellen zu steigern. Eine ähnliche Philosophie wird bereits industriell in einigen chemischen Großprozessen eingesetzt. Für Brennstoffzellen gibt es aber noch nichts Vergleichbares. Abgesehen vom Betriebsbeginn arbeiten sie immer stationär, also mit konstanten Einstellungen der Parameter. Das Team um Kai Sundmacher variiert in einer dynamisch betreibbaren Brennstoffzelle periodisch die Konzentration des verfügbaren Brennstoffs.
"Auf diese Weise lässt sich die Blockierung der anodischen Katalysatorschicht durch die Zwischenprodukte der Oxidationsreaktion vermindern", erklärt Sundmacher. Außerdem wird die unerwünschte Teildurchlässigkeit von Polymer-Elektrolytmembranen verringert. So gelangt letztlich weniger Brennstoff an die Kathode. Auch werden die gelösten und gasförmigen Reaktionsprodukte, wie das Kohlendioxid, effektiv aus dem Reaktionsraum an der Anode der Brennstoffzelle abgeführt. Die Folgen sind eine um etwa 15 Prozent höhere Zellspannung und eine höhere elektrische Leistung der Brennstoffzelle. Außerdem, so Sundmacher, wird durch die periodische Erniedrigung der Brennstoffkonzentration an der Anode der Brennstoffverbrauch der Zelle deutlich verringert. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Die Erfindung kann mit wenig Mehraufwand für bereits existierende Methanol-Brennstoffzellen genutzt werden. Das Prinzip lässt sich auf andere Brennstoffzellen-Typen übertragen.
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