Transmembraner Stofftransport in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC)

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Matthias Kind
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering
• Term: from 2005 to 2007
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5446541

In Brennstoffzellen wird chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Eine - vor allem für mobile Applikationen - viel versprechende Brennstoffzellentechnologie ist die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC). Bei dieser Technologie reagiert Methanol an der katalytisch aktiven Anode mit Wasser. Es entstehen Kohlendioxid, Elektronen und Protonen. Die Protonen diffundieren durch eine Polymer-Membran zur Kathode, um dort mit Sauerstoff und den von der Anode kommenden Elektronen zu Wasser oxidiert zu werden. Der elektrische Wirkungsgrad solcher DMFCs liegt zurzeit bei maximal 40 % und damit deutlich unter dem von Wasserstoff- Brennstoffzellen (60 %). Dies liegt hauptsächlich an der störenden Permeation von Methanol durch die Membran (Methanol-Crossover). Der permeierte Brennstoff wird an der Kathode oxidiert und ist somit für die energetische Nutzung verloren.Es ist Ziel dieses Projektes, einen Beitrag zur Verringerung der Verluste durch permeierendes Methanol und damit zur Steigerung des Wirkungsgrades von DMFC-Brennstoffzellen zu leisten. Dazu wurden im ersten Forschungsantrag zunächst die messtechnischen Voraussetzungen für eine systematische Untersuchung der Stofftransportvorgänge in der Polymermembran einer DMFC geschaffen. Durch umfangreiche Untersuchungen zum Stofftransport von Wasser und Methanol in Nafion®-Membranen konnten bereits wichtige Erkenntnisse über die diffusiven Stofftransportmechanismen gesammelt werden. Im Rahmen des Fortsetzungsantrags soll nun vor allem der Einfluss von diffusiven und elektroosmotisehen Schleppeffekten untersucht werden. Auf Basis der gewonnenen experimentellen Erkenntnisse sollen aktuelle Modellansätze geprüft und gegebenenfalls Ansätze zur Verbesserung des Wirkungsgrades gefunden werden. Anschließend sollen diese Erfahrungen auf alternative Membransysteme übertragen werden.

• DFG Programme: Research Grants
• Major Instrumentation: Fasergekoppeltes Mikroskop für Ramanspektrometer
• Instrumentation Group: 5040 Spezielle Mikroskope (außer 500-503)
• Participating Person: Professor Dr.-Ing. Wilhelm Schabel