GreenCell Neue Materialien für die Hochleistungs-Direkt-Ethanol-Brennstoffzelle

Ethanol ist ein bedeutender, aus nachwachsen Rohstoffen gewonnener Energieträger mit einer hohen Energiedichte, der bereits als Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird. In diesem Projekt wird zur direkten Stromgewinnung aus Ethanol eine Brennstoffzelle mit neuartigen Katalysatoren und alkalischem Elektrolyt für portable und stationäre Anwendungen entwickelt und optimiert. Die Brennstoffzellentechnologie hat nach einigen Jahrzehnten Forschung und Entwicklung und Anwendung in wenigen und ausgefallenen Bereichen mittlerweile einen breiten Markt für stationäre, mobile und portable Anwendungen erobert. Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit ist die Anwendung von wasserstoffverbrennenden Zellen von hohem Interesse, Voraussetzung für deren breiten Einsatz ist jedoch eine vorhandene Wasserstoffinfrastruktur und eine möglichst effiziente Speicherung aufgrund der geringen volumetrischen Energiedichte. Besonders im automobilen Bereich gibt es ein großes Bestreben, die Speicher- und Infrastrukturprobleme zu lösen. Für portable, stationäre und mobile Anwendungen mit einer erforderlichen Leistung bis zu ca. 2 kW bietet sich Ethanol als Brennstoff zur Stromgewinnung an, der sich aufgrund seiner hohen Energiedichte gegenüber Akkumulatoren und aufgrund seiner einfachen Gewinnung, Verteilung und Speicherung gegenüber Wasserstoff als Konkurrenz behaupten kann. In diesem Projekt werden neuartige Katalysatoren und alkalische Elektrolyte zur direkten Stromgewinnung aus Ethanol in der Brennstoffzelle entwickelt. Die alkalische Zelle ermöglicht im Vergleich zu den üblichen verwendeten sauren Zellen eine signifikant bessere Kraftstoffausnutzung und die Verwendung von platinfreien Katalysatoren und kostengünstigen Werkstoffen für den Zellaufbau. Basische Anionenaustauschmembranen werden durch organische Synthesen, basierend auf unterschiedlichen Polymermatrizen mit funktionellen Gruppen, hergestellt. Als Katalysatoren werden Nicht-Platingruppenmetalle eingesetzt, was zu einer erheblichen Kostenersparnis im Vergleich zu sauren Festpolymeren führt. Weiters wird eine an die Betriebsbedingungen optimierte Zelle unter der Verwendung von kostengünstigen, korrosionsstabilen Komponenten konstruiert. Die Lebensdauer der Zelle wird mit Langzeitstabilitätsuntersuchungen erfasst und dabei der Einfluss der Betriebsbedingungen berücksichtigt. Mit diesen Ergebnissen können Betriebsbedingungen gewählt werden, die im Betrieb der DEFC eine lange Lebensdauer mit minimaler Schädigung des Ionomers und den Aktivschichten der Elektroden gewährleisten.

Ausgangssituation

Aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnenes Ethanol wird bereits heute im großen Maßstab als Kraftstoff eingesetzt. In diesem Projekt wurde die direkte Verstromung von Ethanol in einer Brennstoffzelle mit neuartigen Katalysatoren und alkalischen Elektrolyten für portable und stationäre Anwendungen untersucht und optimiert. Im niedrigen Leistungsbereich bis ca. 2 kW bietet sich Ethanol als alternativer Brennstoff zur Stromgewinnung an, da es sich im Vergleich zu Akkumulatoren durch die hohe Energiedichte und im Vergleich zu Wasserstoff durch die einfache Gewinnung, Verteilung und Speicherung auszeichnet.

In der Brennstoffzellentechnologie werden nach Jahrzehnten der Forschung und Entwicklung und dem Einsatz von Systemen in wenigen Nischenmärkten, mittlerweile kommerzielle Produkte für den breiten Markt der stationären, mobilen und portablen Anwendungen angeboten. Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit werden dabei oft Wasserstoff-Brennstoffzellen eingesetzt. Die Voraussetzung für deren breiten Einsatz sind jedoch eine vorhandene Wasserstoffinfrastruktur und eine effiziente Speicherung des Wasserstoffs.

Die größte Herausforderung hinsichtlich der Markteinführung der Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen (DEFC) ist die derzeit zu geringe Leistungsdichte der verfügbaren sauren Systeme im Vergleich zu einer mit Wasserstoff oder Methanol betriebenen Brennstoffzelle. Der Hauptgrund dafür ist die Spaltung der C-C-Bindung für die vollständige Oxidation von Ethanol zu Kohlendioxid. Die partielle Oxidation zu Acetaldehyd oder Essigsäure, die durch die hohe Aktivierungsüberspannung der Ethanoloxidation bei niedrigen Temperaturen im sauren Medium verursacht wird, vermindert die Leistungsdichte dieser Brennstoffzellen wesentlich.

Die unerwünschte Diffusion von Ethanol durch die saure Membran senkt zusätzlich die Leistungsfähigkeit der Zelle, da einerseits Ethanol auf der Anode verloren geht und andererseits an der Kathode eine spannungsmindernde Konkurrenzreaktion zur Sauerstoffreduktion stattfindet. Die Aktivitäten der Katalysatorsysteme in sauren Systemen zur Ethanoloxidations-Reaktion sind gegenwärtig generell als zu gering zu bewerten.

Die bekannten Herausforderungen der DEFC können durch die Verlegung der Reaktion ins alkalische Milieu gelöst werden. Zusätzlich ermöglicht das alkalische Brennstoffzellensystem den Einsatz von Katalysatorsystemen, welche nicht der Platin-Gruppe angehören.

Zur Minimierung der kinetischen Reaktionshemmung und zur Verhinderung der Diffusion des Brennstoffs an die Gegenelektrode wird in diesem Projekt eine alkalische Membran entwickelt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Nicht-Platingruppenmetalle als Elektrokatalysatoren zu verwenden, da im alkalischen Medium unedle Metalle und ihre Oxide, Nitride oder Carbide stabil sind und die katalytische Aktivität deutlich höher ist.