Wissenschaft der Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC)

Wasserstoff ist ein sehr aktives Reduktionsmittel (Kraftstoff). So in Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen, können sehr hohe Betriebsströme und hohe spezifische Leistungen pro Gewichtseinheit erreicht werden. Handhabung, Lagerung und Transport von Wasserstoff als Brennstoff sind jedoch komplex. Dies ist vor allem bei relativ kleinen, tragbaren Kraftwerken ein Problem. Für solche Anlagen sind flüssige Brennstoffe realistischer.
Methanol ist ein vielversprechender Brennstoff für kleine tragbare Brennstoffzellen. Es ist praktischer und weniger gefährlich als gasförmiger Wasserstoff. Im Vergleich zu Erdölprodukten und anderen organischen Brennstoffen weist Methanol eine relativ hohe elektrochemische Oxidationsaktivität auf (wenn auch nicht so hoch wie Wasserstoff). Sein chemischer Energiegehalt beträgt etwa 6 kWh/kg und ist damit niedriger als der von Benzin (10 kWh/kg), aber durchaus zufriedenstellend. Daher wird seine Anwendung in Brennstoffzellen für Kraftwerke in Elektrofahrzeugen und verschiedenen tragbaren Geräten heute viel diskutiert.

Der Betrieb von DMFCs weist grundlegende Probleme auf, die bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran nicht auftreten. In letzteren ist die Membran für die Reaktanten (Wasserstoff und Sauerstoff) praktisch undurchlässig, sodass sich diese nicht vermischen. Im Gegensatz dazu ist die Membran in der DMFC für in einer wässrigen Lösung gelöstes Methanol teilweise durchlässig. Aus diesem Grund dringt etwas Methanol vom Anodenteil der Batterie durch die Membran zum Kathodenteil. Dieses Phänomen wird als Cross-Curium-Crustic-Ethanol bezeichnet. Dieses Methanol wird an einem Platinkatalysator direkt durch gasförmigen Sauerstoff oxidiert, ohne dass nutzbare Elektronen entstehen. Dies hat zwei Folgen: (i) Ein erheblicher Teil des Methanols geht in der elektrochemischen Reaktion verloren, und (ii) das Potenzial der Sauerstoffelektrode verschiebt sich zu einem niedrigeren positiven Wert, sodass die Betriebsspannung der Brennstoffzelle sinkt. Trotz zahlreicher Untersuchungen konnte dieses Problem bisher nicht vollständig gelöst werden.
Ein potenzieller Anwendungsbereich für DMFC ist eine stromsparende Stromversorgung (bis zu 20 W) für elektronische Geräte wie Laptops, Camcorder, DVD-Player, Mobiltelefone, medizinische Geräte und mehr. Die Anwendung von DMFC als Energiequelle für Elektrofahrzeuge ist derzeit noch sehr weit entfernt. Trotz intensiver Forschung werden DMFCs im Vergleich zu Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen noch nicht kommerziell produziert und sind in der Praxis nicht weit verbreitet.