Ethanolbrennstoffzellen auf Zwischentemperatur
Ethanol wird zu einem wünschenswerten Zielbrennstoff zum Einsatz in Direkt-Ethanol-Brennstoffzellen (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC). Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie von Bioethanol in elektrische Energie um. Damit steht eine umweltfreundliche und hocheffiziente Energiequelle für stationäre wie auch mobile Anwendungen zur Verfügung. Die DEFC-Technologie beseitigt die Notwendigkeit eines Vorreformers zur vor Ort erfolgenden Erzeugung von Wasserstoff, wodurch die Verschwendung von Primärenergie vermieden wird. Zudem ist es viel einfacher, Ethanol anstelle Wasserstoff zu speichern. Darüber hinaus lässt die hohe Energiedichte des Brennstoffs ihn als ideal für den Einsatz in Brennstoffzellen erscheinen. Eine zentrale Herausforderung, welche die praktische Kommerzialisierung von DEFCs einschränkt, besteht jedoch in der Notwendigkeit der Entwicklung alternativer Katalysatoren, die eine vollständige Oxidation mit hoher Geschwindigkeit initiieren können. Zu Projektbeginn gab es kein elektrokatalytisches System, das auf effiziente Weise 12 Elektronen pro Ethanolmolekül liefern kann. Somit ist die elektrochemische Oxidation von Ethanol schwierig, da die Anzahl der Reaktionszwischenprodukte deutlich zunimmt. Um Abhilfe für diese Situation zuschaffen, stellte das von der EU finanzierte Projekt DECORE (Direct electrochemical oxidation reaction of ethanol: Optimization of the catalyst/support assembly for high temperature operation (DECORE)) innovative Träger und Nanokatalysatoren her, die bislang nicht als Komponenten für DEFC-Anoden verwendet wurden. Die in DECORE angewendete Strategie ist mit der Ausnutzung der Temperatur zur Steigerung der Selektivität in Richtung der vollständigen Ethanoloxidation verbunden. Mit den neu entwickelten Trägern werden auf Basis von Titan-Oxykarbid Probleme im Zusammenhang mit den traditionell eingesetzten Kohlenstoffträgern bei Temperaturen von 150 bis 200 °C wie etwa die Korrosion der Träger selbst überwunden. Zudem verfügen sie über eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und eine große Porosität. Was den Nanokatalysator betrifft, zielte man auf die Entwicklung von Nanopartikeln auf Grundlage von sechs Metallkarbiden ab, die EU-Richtlinien entsprechen, um die Abhängigkeit von Edelmetallen zu verringern. Nach der Zugabe von winzigen Mengen Platin in die Metallkarbide wurde die Anode in einer Benchtop-Einzel-DEFC getestet. Es wurden Spitzenleistungsdichten von 45 mW/cm2 bei 150 °C und bis zu 93 mW/cm2 bei 180 °C erzeugt, wenn der Zelle eine Mischung aus Alkohol und Wasser in einem Verhältnis von 1 zu 4 zugeführt wurde. Nebenbei gelang es DECORE außerdem, innovative und strapazierfähigere Träger zu entwickeln, die in wasserstoffgespeisten Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden können. Nach einem weiteren Hochskalierungsprozess könnte dieses Resultat in den vorhandenen Anlagen direkt zum Einsatz kommen.
