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Reformed Methanol Fuel Cell

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Die Indirekte Methanolbrennstoffzelle (IMFC) (engl. Indirect Methanol Fuel Cell), auch Reformer-Methanol-Brennstoffzelle (RMFC) (engl. Reformed Methanol Fuel Cell), ist ein Brennstoffzellensystem, in dem Methanol in einem Reformer zu Wasserstoff-haltigem Gas reformiert wird und dieses Gas dem Brennstoffzellen-Stack (Zellstapel) zugeführt wird.[1][2] RMFC Systeme haben mehrere Vorteile gegenüber Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFC), wie einen deutlich höheren Wirkungsgrad (üblicherweise zwischen 30 und 50 %), geringere Stack-Kosten, geringere Anforderungen an die Methanol-Reinheit und die Beständigkeit gegenüber Temperaturen unter 0°C (Membranschädigung durch Bildung von Wasserkristallen in der Methanol-Wassermischung im DMFC-Stack). Der höhere Wirkungsgrad als bei der DMFC ist dadurch begründet, dass nicht das Methanol, sondern der aus dem Methanol gebildete Wasserstoff in der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) verstromt wird und die Anodenüberspannung der katalytischen Zersetzung von Wasserstoff deutlich geringer ist als die Anodenüberspannung bei der Zersetzung von Methanol[3].

Methanol wird als Brennstoff verwendet, da es im Gegensatz zu anderen Kohlenwasserstoffen bei Temperaturen unter 280 °C effizient zu wasserstoff-haltigem Reformatgas reformiert werden kann.[4] Des Weiteren ist Methanol sehr kostengünstig (ab 0,4 Euro/L[5]) im Vergleich zu anderen Brennstoffen wie Ethanol oder Wasserstoff, kann einfach regenerativ erzeugt werden[4][6][7] und kann darüber hinaus einfach gelagert werden[4].

Lagerung und Brennstoff-Kosten

Methanol kann beispielsweise in Tanks, Kanistern, Fässern oder IBC-Containern gelagert werden. Je nach Systemdesign der RMFC kann entweder 100%iges Methanol (nach dem Industriestandard IMPCA der Reinheit von über 99,85 %) oder eine Mischung aus Methanol und Wasser (z.B. 40 vol% Wasser) verwendet werden.[4] Die Verwendung von hundertprozentigem Methanol hat den Vorteil, dass der Brennstoffverbrauch geringer ist als bei einer Mischung aus Methanol und Wasser. Allerdings ist die Komplexität des Systemdesigns bei einem mit hundertprozentigem Methanol betriebenen Brennstoffzellensystem höher, da der an der Kathode gebildete Wasserdampf auskondensiert werden muss.

Die Brennstoffkosten für RMFC-Systeme betragen üblicherweise etwa 0,34-0,93 EUR/kWh (konventionelles Methanol) bzw. 0,38-1,10 EUR/kWh (Bio-Methanol produziert aus Hausmüll[6] oder e-Methanol produziert aus erneuerbarem Strom[7]) bei Lieferung im Fass oder IBC. Im Vergleich dazu betragen die Wasserstoff-Kosten für eine mit Wasserstoff (z.B. Reinheit größer als 99,95 %) betriebene Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle ca. 3,8-8,5 EUR/kWh (bei Lieferung im Bündel zu je 12 Flaschen mit 200 bar inkl. Flaschenmiete).

Reformer

Als Reformer wird üblicherweise ein kupferbasierter Methanol-Reformer verwendet.[4][8] Auch der Einsatz von edelmetallbasierten Reformern ist möglich.[8]

Der Reformer besteht aus einem hitzebeständigen Behälter, der Reformer-Katalysator enthält (z.B. Schüttgut-Pellets) und bei einer Temperatur von 200 bis 300 °C gehalten wird.[4][9] Bei Verwendung der Wasserdampf-Reformierung wird eine gasförmige Methanol-Wasser-Mischung dem Reformer zugeführt. Das Methanol wird hierbei üblicherweise komplett zu Wasserstoff, CO2 und ggf. einem geringen Anteil an CO umgewandelt. Je nach Systemdesign kann die Kohlenmonoxid-Konzentration vor dem Stack in der Reformereinheit oder im Abgas reduziert oder katalytisch beseitigt werden.

Brennstoffzelle

Als Brennstoffzelle wird üblicherweise eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle oder eine Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle verwendet.[4]

Entwicklungsstand und Anwendungen

RMFC-Systeme werden sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen genutzt. Beispielsweise dienen sie als Backup-Power, Notstromversorgung, Auxiliary Power Unit (APU) oder als Batterie Range-Extender (Elektrofahrzeuge, Schiffe).[4][10] Die meisten RMFC Systeme haben eine Leistung zwischen 0,1 kW und 100 kW[11].

Im Gegensatz zu Diesel- oder Benzin-Generatoren ist das Wartungsintervall für RMFC-Systeme üblicherweise deutlich höher, da keine Ölfilter oder weitere motorspezifische Service-Teile ausgetauscht werden müssen. Deshalb werden RMFC-Systeme in Offgrid-Anwendungen (z.B. Autobahnmeistereien) oder an entlegenen Orten (z.B. Telecom[4], BOS-Funk, Berghütten) gegenüber Dieselgeneratoren oft bevorzugt. Darüber hinaus sind RMFC-Systeme besser als Diesel-Generatoren für kalte Umgebungsbedingungen geeignet, da Methanol einen niedrigen Gefrierpunkt aufweist und RMFC-Systeme unter Verwendung des HT-PEM Brennstoffzellentyps selbst Abwärme zum Start und Betrieb generieren.

Auch die biologische Abbaubarkeit von Methanol[12], die Möglichkeit erneuerbares Methanol zu verwenden[13], die geringen Brennstoffkosten, ohne Emission von Feinstaub bzw. NOx, die geringe Lautstärke sowie der geringe Brennstoff-Verbrauch (langes Brennstoffversorgungsintervall) werden als positiv angesehen.

Der elektrische Sportwagen RG Nathalie enthält laut Hersteller die RMFC Technologie[14].

Firmen, die den Einsatz der RMFC-Technologie angeben
Unternehmen Land Brennstoffzellentyp (Stack) Brennstoff
Blue World Technologies ApS Dänemark HT-PEM Methanol-Wasser-Mischung[15], Methanol (in Entwicklung)[16]
CHEM Taiwan PEM Methanol-Wasser-Mischung
SerEnergy AS Dänemark HT-PEM Methanol-Wasser-Mischung (40:60)[17]
Siqens GmbH Deutschland HT-PEM Methanol (IMPCA)[18]
UltraCell LLC USA Methanol-Wasser-Mischung

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ S. R. Narayan, Thomas I. Valdez: High-Energy Portable Fuel Cell Power Sources. In: The Electrochemical Society Interface. Band 17, Nr. 4, 1. Dezember 2008, ISSN 1944-8783, S. 40, doi:10.1149/2.F05084IF (iop.org [abgerufen am 3. Juli 2021]).
  2. ↑ Kristian Kjær Justesen: Reformed Methanol Fuel Cell Systems - and their use in Electric Hybrid Systems. Department of Energy Technology, Aalborg University, 2015, ISBN 978-87-92846-72-3 (aau.dk [abgerufen am 3. Juli 2021]).
  3. ↑ A miniature fuel reformer system for portable power sources. In: Journal of Power Sources. Band 271, 20. Dezember 2014, ISSN 0378-7753, S. 392–400, doi:10.1016/j.jpowsour.2014.08.021 (sciencedirect.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  4. ↑ a b c d e f g h i Samuel Simon Araya, Vincenzo Liso, Xiaoti Cui, Na Li, Jimin Zhu: A Review of The Methanol Economy: The Fuel Cell Route. In: Energies. Band 13, Nr. 3, 2020, S. 596, doi:10.3390/en13030596 (mdpi.com [abgerufen am 3. Juli 2021]).
  5. ↑ Methanol Price and Supply/Demand. Abgerufen am 4. Juli 2021.
  6. ↑ a b Renewable Methanol Report. Methanol Institute, abgerufen am 4. Juli 2021.
  7. ↑ a b Innovation Outlook Renewable Methanol. IRENA, abgerufen am 5. Juli 2021.
  8. ↑ a b Joan Papavasiliou, Alexandra Paxinou, Grzegorz Słowik, Stylianos Neophytides, George Avgouropoulos: Steam Reforming of Methanol over Nanostructured Pt/TiO2 and Pt/CeO2 Catalysts for Fuel Cell Applications. In: Catalysts. Band 8, Nr. 11, 2018, S. 544, doi:10.3390/catal8110544 (mdpi.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  9. ↑ Sandra Sá, José M. Sousa, Adélio Mendes: Steam reforming of methanol over a CuO/ZnO/Al2O3 catalyst, part I: Kinetic modelling. In: Chemical Engineering Science. Band 66, Nr. 20, Oktober 2011, S. 4913–4921, doi:10.1016/j.ces.2011.06.063 (elsevier.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  10. ↑ Control and experimental characterization of a methanol reformer for a 350 W high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell system. In: International Journal of Hydrogen Energy. Band 38, Nr. 3, 6. Februar 2013, ISSN 0360-3199, S. 1676–1684, doi:10.1016/j.ijhydene.2012.09.032 (sciencedirect.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  11. ↑ Samuel Simon Araya: High Temperature PEM Fuel Cells - Degradation and Durability. Department of Energy Technology, Aalborg University, 2012, ISBN 978-87-92846-14-3 (aau.dk [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  12. ↑ About Methanol. Abgerufen am 4. Juli 2021.
  13. ↑ Janusz Kotowicz, Mateusz Brzęczek: Liquid methanol energy storage technology. In: Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie. nr 63 (135), 2020, ISSN 1733-8670, doi:10.17402/438 (edu.pl [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  14. ↑ Gumpert supercar with methanol fuel cell ready for production. In: Fuel Cells Bulletin. Band 2020, Nr. 6, 1. Juni 2020, ISSN 1464-2859, S. 2, doi:10.1016/S1464-2859(20)30224-8 (sciencedirect.com [abgerufen am 4. Juli 2021]).
  15. ↑ https://www.blue.world/knowledge-centre/
  16. ↑ Blue World Technologies Methanol Vehicles Exhibition. Abgerufen am 4. Juli 2021.
  17. ↑ https://www.serenergy.com/fuel-mix/
  18. ↑ https://www.siqens.de/faq/#1593093105773-966160f2-5068
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