Transmembraner Stofftransport in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Kind
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5446541

• Erstellungsjahr: 2007

Zusammenfassung der Projektergebnisse

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. Ziel weltweiter Forschungsanstrengungen ist eine Reduzierung des Methanol-Crossovers zur Steigerung des DMFC-Wirkungsgrades. Für eine effektive Analyse der möglichen Modifikationen von Membranmaterialien ist ein umfassendes Verständnis der vorherrschenden Stofftransportmechanismen nötig. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der Stofftransport von Wasser und Methanol in Brennstoffzellenmembranen untersucht. Dazu wurde als Erweiterung einer bestehenden Anlage eine neue Messapparatur konzipiert und in Betrieb genommen. Parallel wurde ein Versuchsstand zur Charakterisierung von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen aufgebaut. Aus den Ergebnissen der durchgeführten Arbeiten konnten zunächst neue Erkenntnisse über den rein diffusiven Stofftransport von Wasser und Methanol in Brennstoffzellenmembranen gewonnen werden. Die zum Teil im Rahmen von Diplomarbeiten und in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen (z.B. Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer System, Magdeburg; DLR Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Stuttgart) erarbeiteten Untersuchungsergebnisse wurden auf zahlreichen Tagungen präsentiert und führten darüber hinaus zu drei Veröffentlichungen. Gegen Ende des ersten Förderzeitraums wurden erste Untersuchungen zum Einfluss von diffusiven und elektroosmotisehen Schleppeffekten durchgeführt. Diese, für die Modellierung von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen wichtigen Untersuchungen müssen weitergeführt werden und mit den Ergebnissen entsprechender Modellrechnungen verglichen werden. Aus dem Vergleich der gemessenen Konzentrationsprofile mit Simulationsrechnungen ist ein hoher Erkenntnisgewinn bezüglich der Stofftransportmechanismen in Brennstoffzellenmembranen zu erwarten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Investigation of methanol diffusion in NafionR-membranes for direct methanol fuel cells by means of Inverse Micro Raman Spectroscopy. 13th International Heat Transfer Conference, Sydney, 13.-18. August 2006
  P. Scharfer, J, Krenn, W. Schabel, M. Kind
  
• Phasengleichgewichts- und Diffusionskoeffizientenmessung in vernetzten Polymeren mit Hilfe der Inversen-Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS). Fachausschuss Wärme- und Stoffübertragung, Jena, 08.-09. März 2005
  P. Scharfer, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchung von Stofftransportvorgängen in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) mit Hilfe der Inversen-Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS) - Erste Vorversuche. Fachausschuss Energieverfahrenstechnik, Bad Herrenalb, 07.-09. März 2005
  P. Scharfer, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchung von Stofftransportvorgängen in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) mit Hilfe der Inversen-Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS). Fraunhofer Institut ISE, 28. Juni 2005, Freiburg
  P. Scharfer, W. Schabel, M. Kind
  
• Investigation of methanol diffusion in NafionR-membranes for direct methanol fuel cells by means of Inverse Micro Raman Spectroscopy. Proceedings of the 13th International Heat Transfer Conference, Sydney, 13.-18. August 2006
  P. Scharfer, J. Krenn, W. Schabet, M. Kind
  
• Untersuchungen zum Stofftransport von Wasser und Methanol in NafionR 115 mit Hilfe der Inversen-Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS). Fachausschuss Energie Verfahrenstechnik, Wiesbaden, 20.-21. Februar 2006
  P. Scharfer, J. Krenn, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchungen zum Stofftransport von Wasser und Methanol in NafionR 115 mit Hilfe der Inversen-Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS). Fachausschuss Wärme- und Stoffübertragung, Frankfurt, 06.-08. März 2006
  P. Scharfer, J. Krenn, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchungen zum Stofftransport von Wasser und Methanol in NafionR-Membranen für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen mit Hilfe der Inversen-Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS). DLR Stuttgart, 23. März 2006
  P. Scharfer, J. Krenn, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchungen zum Stofftransport von Wasser und Methanol in NafionR-Membranen für Direkt-Methanol-Brennstoffzellen mit Hilfe der Inversen-Mikro-Raman-Spektroskopie (IMRS). Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme, Magdeburg, 28. Juni 2006
  P. Scharfer, J. Krenn, W. Schabel, M. Kind
  
• Mass transport measurements in membranes by means of in situ Raman spectroscopy - first results of methanol and water profiles in fuel cell membranes. Journal of Membrane Science 303 (1-2), 2007, 37-42
  P. Scharfer, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchungen zum Einfluss des Protonentransports auf den Stofftransport von Wasser und Alkohol in NafionR-Membranen. Fachausschuss Energieverfahrenstechnik, Wiesbaden, 26.-27. Februar 2007
  P. Scharfer, J. Krenn, W. Schabel, M. Kind
  
• Untersuchungen zum Einfluss des Protonentransports auf den Stofftransport von Wasser und Alkohol in NafionR-Membranen. Fachausschuss Wärme- und Stofftransport, Stuttgart, 7.-9. März 2007
  P. Scharfer, J. Krenn, W. Schabel, M. Kind