Mikroreformer machen Wasserstoff aus Methanol

Elektronikkonzerne wie Casio und Motorola arbeiten an Brennstoffzellensystemen für Laptops und andere Kleingeräte, die mit Methanol betrieben werden. In den Geräten arbeiten jedoch nicht Direktmethanolbrennstoffzellen (DMFCs), die den Alkohol direkt umsetzen können, sondern Zellen mit Polymermembranen (PEM). Diese sind auf Wasserstoff als Brenngas angewiesen – das Gas wird aus Methanol in einem Reformer im Miniformat erzeugt.

Methanol ist ein besonders günstiger Energieträger für kleine Brennstoffzellen: Die Alkoholverbindung ist flüssig, lässt sich leicht transportieren und lagern und besitzt eine hohe Energiedichte. DMFCs können direkt mit dem flüssigen Brennstoff betrieben werden, so dass kein Reformer vorgeschaltet werden muss. Dieser Brennstoffzellentyp hat jedoch zwei Nachteile: Um die Reaktion in Gang zu halten, wird viel teures Katalysatormaterial benötigt. Und die Leistungsdichte, also die pro Membranoberfläche erreichbare Leistung, ist verglichen mit den mit Wasserstoff arbeitenden PEM-Systemen gering.

Dies hängt mit den so genannten Cross-Over-Verlusten zusammen: Dabei durchqueren Methanolmoleküle die Membran, ohne mit Sauerstoff zu reagieren, was die Energieausbeute des Systems stark reduziert. Dieses Problem kann teilweise, jedoch nicht gänzlich umgangen werden, wenn das Methanol mit Wasser verdünnt wird. Das hat jedoch wiederum den Nachteil, dass die Energiedichte des Brennstoffs sinkt und unnötiger Wasserballast mitgeschleppt werden muss. Bei einigen Typen von DMFCs wird das dadurch vermieden, dass für die Verdünnung das bei der chemischen Reaktion in der Zelle erzeugte Wasser verwendet wird.

Die Vorteile des Brennstoffs Methanol mit den hohen Leistungsdichten von PEM-Brennstoffzellen verbinden wollen mehrere Elektronikkonzerne mit Systemen, die mit Mikroreformern arbeiten, die aus Methanol Wasserstoff erzeugen. Diese chemischen Reaktoren haben die Grundfläche einer Streichholzschachtel und sind nur wenige Millimeter dünn. Bei Temperaturen von 200 bis 250 Grad Celsius setzen sie mithilfe von Katalysatoren Methanol und Wasser in Wasserstoff und Kohlendioxid um. Die für diese Reaktion nötige Wärmeenergie stammt aus der katalytischen Verbrennung von Methanol in einer Brennkammer, in die auch der in der Brennstoffzelle nicht umgesetzte Wasserstoff eingespeist wird.

Eine technische Hürde ist dabei das bei der chemischen Reaktion in geringen Mengen entstehende Kohlenmonoxid (CO), das in der Brennstoffzelle als Katalysatorgift wirkt. Das CO muss entweder aus dem Brenngas so weit entfernt werden, dass die Brennstoffzelle noch störungsfrei laufen kann. Oder die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle wird auf etwa 150 Grad Celsius erhöht, was der Elektronikkonzern Motorola in seinen Prototypen erprobt. Dann können sich die CO-Moleküle nicht mehr auf den Katalysatoren in der Zelle halten und geben diese wieder frei.

Die ersten marktfähigen Systeme, beispielsweise methanolgetriebene Laptops, haben mehrere Elektronikkonzerne zwar bereits für das Jahr 2005 angekündigt. Doch könnte sich die Markteinführung für den breiten Massenmarkt durchaus auch noch verzögern, wie Ulf Groos vom Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme ISE in Freiburg vermutet. Gerade die Miniaturisierung eines Komplettsystems aus Wasserstofferzeuger und Brennstoffzelle sowie ein zuverlässiger Langzeitbetrieb seien noch nicht gelöste Herausforderungen an die Entwickler, so der Experte für portable Brennstoffzellen.