Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC)

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1 E-world of Energy, Essen Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) H. Dohle Institut für Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik Forschungszentrum Jülich GmbH, JÜLICH

2 DMFC für portable und mobile Anwendungen Quelle: DaimlerChrysler Quelle: Motorola Quelle: SFC GmbH FZJ

3 Methanol im Vergleich Ho / Masse MJ / kg Ho / Volumen MJ / Liter Methanol 22,7 18,0 Benzin 47,9 36,2 H2-gasf. 345 bar 142 4,3 H2-flüssig 142 9,9 NaBH4 30,2 32,5 Reaktion mit H2O FeTiH2 2,2 11,9 Therm. Dissoziation Vorteile : Nachteile: Methanol kann aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden; hohe Energiedichte (ca. 50% von Benzin) Giftigkeit ml letal (Benzin 500ml) aber: MAK-Wert höher als bei C6H14 (200ppm gegenüber 50ppm)

4 Schema der Vorgänge in einer DMFC P el CO 2 CH 3 OH H 2 O CH 3 OH H 2 O CO 2 H + solv H 2 O CH 3 OH O 2 H 2 O O 2 Methanoloxidation Sauerstoffreduktion O 2 / Luft CH 3 OH H 2 O H 2 O CO 2 Methanoltransport und -oxidation O 2 / N 2 H 2 O CO 2 Anode Membran Kathode Schlüsselprobleme: Kinetik der elektrochemischen Prozesse, hohe Überspannungen Methanol- und Wasserpermeation durch die Membran Mischpotentialbildung an der Kathode (Spannungsverluste) höherer Katalysatorbedarf gegenüber PEFC

5 DMFC-Stacks des Forschungszentrums Jülich 2W, 10kg, W, 8kg, W, 10kg, W, 0.4kg, 2002

6 DMFC-Entwicklung Spez. Leistung W/l 0,10 spez. Leistung W/l Leistungsdichte W/cm2 2 W 50 W 500 W 0,08 0,05 0,03 Leistungsdichte W/cm 2 0 0,

7 Vom Katalysator zum Systemdesign 500 W - + Last Kühler Brennstoffzelle Kompressor Expander-Einheit (CO 2 (H 2 O, (MeOH) Umwälztank (MeOH, H 2 O) Luft Methanol H 2 O (MeOH) M Katalytbrenner Abgas CO 2 H 2 O N 2

8 Vom Katalysator zum Systemdesign Optimierungsbedarf: Ziele: - Wirkungsgrad - Leistung - Volumen Katalysatorschicht Menge, Zusammensetzung Stromableiter Material, Form, Dicke Stack Design Flow Field, Dichtungen Systemkomponenten Pumpen, Verdichter, Regelungen Betriebsbedingungen Temperatur, Druck, MeOH-Konzentration

9 Leistungsdaten Membran-Elektroden Elektroden-EinheitEinheit C 80 C 1m 1MMethanol MeOH Luft, Umgebungsdruck Luft λ=4, Umgebungsdruck, Zellspannung / mv ,5 mg PtRu/cm² 4,4 mg Pt/cm² 2000/2001 1,5 mg PtRu/cm² 4,4 mg Pt/cm² Okt ,1 mg PtRu/cm² 4,0 mg Pt/cm² Jan Leistungsdichte / mw/cm² Stromdichte / ma/cm²

10 Leistung und Massenwirkungsgrad: Einfluß der Betriebsparameter Massenwirkungsgrad (%) MeOH-Konz.: 0,4M 80 C C 40 C 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 Stromdichte (A/cm²) Leistungsdichte (mw/cm²) Leistung 0,45V T=70 C 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 MeOH Konz. (M) Massenwirkungsgrad 0,45V Beste Methanolkonzentration <1M Massenwirkungsgrade von 80-90% erreichbar präzise, dynamische Regelung der Konzentration erforderlich

11 Neue Membranen: Sulfonierte Polyaromaten Kennlinie Methanolpermeation U [mv] s-peek s-pek Nafion I [ma/cm²] Verluststrom [ma/cm²] µm dick 54µm dick 58µm dick Nafion 117 s-peek 1.3 s-peek 1.4 Leistung etwas besser als Nafion Permeation deutlich geringer als Nafion Betriebsbedingungen: 1M Methanol, 80 C, 3bar, 200 ml O 2 /min Anode: 2,5 mg/cm² PtRu schwarz Kathode: 2,5 mg/cm² Pt auf XC72

12 Alterungsmechanismen PEFC/DMFC DMFC-Betrieb über 150 h Titan-Zelle / 1 M MeOH Fläche: 20cm² 640 Temperatur: 80 C Stromdichte: 125 ma/cm² Zellspannung Alterung ca. 10% in 1000h 1:[Volt] HR2300-1/

13 Anforderungen an portable DMFC-Systeme MEA-Leistung - Katalysatorbedarf - Zellfläche - Materialkosten - Stackgröße Luftbedarf - Systemwirkungsgrad - Wasserbilanz Low Cost Design - Werkstoffe - Fertigung - Massenproduktion Integrationsdichte - Stackgröße - Stackgewicht 10W DMFC-Stack 11 Zellen à 25 cm² Alterungsbeständigkeit - Korrosionsfestigkeit - Lagerung -Betrieb MEA: Membran-Elektroden-Einheit

14 Brennstoffzellen-System ηaux efficiencies [-] ηload 0.20 ηsystem 3Zellen short stack, aktive Fläche je 145cm², Umgebungsdruck, Zellauslass 45 C cell current [I] Der Energiebedarf des Kompressors liegt im Bereich von 10-15% bei einer Luftzahl von λ=2,5.

15 Deskcoater (F10) St at us Co ntro roll Zusatzmodul-A uswahlmenü Status Status Controll Controll Status Controll 1 Rakelauftrag 2 Breitschlitz- Düsenauftrag 3 Rasterwalzenauftrag 4 Roationssiebdruck 5 Reverse-Roll- Coater 6 Kiss-Coater Status Controll Status Controll 7 Hot Melt Status ontroll Status Controll Status ontroll Status Controll Status C ontroll Status Controll Forschungszentrum Jülich Themen: MEA-Herstellung und Charakterisierung Entwicklung neuer MEA-Herstellverfahren: Reduzierung der Arbeitsschritte Vereinfachung der Herstellungsprozesse Umstellung auf maschinelle, kontinuierliche Herstellung Qualitätssteigerung Kontinuierliche, automatisierte Herstelltechnik Erhöhung der Reproduzierbarkeit gegenüber herkömmlicher Technik

16 Deskcoat er(f10) 10) Zusat zmodul-a usw ahlmenü Status Controll Status Status Controll Controll Status Controll 1 Rakelauftrag 2 Breitschlitz- Düsenauftrag 3 Rasterwalzenauftrag 4 Roationssiebdruck 5 Reverse-Roll- Coater 6 Kiss-Coater Status Controll Status Controll 7 Hot Melt St at us ontro Status ll Controll St at us ontro Status ll Controll St at us C ontro Status ll Controll Forschungszentrum Jülich Beschichtungsanlage für MEA-Komponenten Bedieneinheit Laminierung Bandkaschierung Umlenkung Auftragssystem Rakelauftrag Knife over Roll Rotationssiebdruck Screen-Printing Delaminierung Imprägnierung Sinterstrecke Trocknung

17 Beschichtungsanlage für MEA-Komponenten Luft-Absaugung modulare Beschichtung Aufwicklung

18 Zusammenfassung: DMFC sind vielversprechende Energiewandler Bereich 1Watt bis einige kwatt breiter Optimierungsansatz Ausblick: 2,5-5 kw DMFC in 2002 High performance coatings MEA Herstellung mit reduzierter Katalysatorbelegung preiswertere Materialien für Bipolarplatten Membranen mit reduzierter Methanol-Permeation

19 Das DMFC/PEFC-Team