Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle. Sie wird oft auch als PEFC (polymer electrolyte fuel cell) bezeichnet.

Prinzip

Unter Verwendung von Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) wird chemische in elektrische Energie umgewandelt. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt je nach Arbeitspunkt etwa 60 %. Als Elektrolyt dient dabei normalerweise eine feste Polymermembran, beispielsweise aus Nafion. Die Membranen sind beidseitig mit einer katalytisch aktiven Elektrode beschichtet, einer Mischung aus Kohlenstoff (Ruß) und einem Katalysator, häufig Platin oder ein Gemisch aus Platin und Ruthenium (PtRu-Elektroden). H₂-Moleküle dissoziieren auf der Anodenseite und werden unter Abgabe von zwei Elektronen zu Protonen oxidiert. Diese Protonen diffundieren durch die Membran. Auf der Kathodenseite wird Sauerstoff durch die Elektronen, die zuvor ihre elektrische Arbeit verrichten konnten, reduziert; zusammen mit den durch den Elektrolyt transportierten Protonen entsteht Wasser. Um die elektrische Arbeit nutzen zu können, werden Anode und Kathode mit einem elektrischen Leiter verbunden und dazwischen der elektrische Verbraucher geschaltet.

Reaktionsgleichungen

! !Gleichung |- |Anode |

\mathrm{2\ H_2 + 4\ H_2O \to 4\ H_3O^+ + 4\ e^-}

Oxidation / Elektronenabgabe |- |Kathode |

\mathrm{O_2 + 4\ H_3O^+ + 4\ e^-  \to 6\ H_2O}

Reduktion / Elektronenaufnahme |- |Gesamtreaktion |

\mathrm{2\ H_2 + O_2 \to 2\ H_2O}

Redoxreaktion / Zellreaktion |- |}

Der innere Ladungstransport erfolgt mittels Hydronium-Ionen. Auf der Anodenseite benötigt die Reaktion Wasser und produziert welches auf der Kathodenseite. Um den Wasserbedarf auf der Anodenseite zu decken ist ein aufwändiges Wassermanagement erforderlich. Realisiert wird dies u.a. durch Rückdiffusion durch die Membran und Befeuchtung der Edukte.

Anwendungsbereiche

Vorgesehene Hauptanwendungsgebiete sind mobile Anwendungen ohne Nutzung der Abwärme (Brennstoffzellenfahrzeuge) oder stationäre Kleinanlagen mit einem Abwärmeniveau um 60 – 80 °C. Um eine technisch relevante elektrische Spannung zu erzielen, werden mehrere Zellen (zehn bis mehrere hundert) zu einem so genannten Stack zusammengefasst. Die Temperaturregelung des Stacks erfolgt in einem eigenen zusätzlichen Kühlkreislauf.

CO-Toleranz

Da die Reaktionen bei relativ niedrigen Temperaturen ablaufen, stellt die Toleranz gegen CO ein Problem dar. Die CO-Konzentration der Kathodenseite zugeführte Luft sowie das auf der Anodenseite zugeführte wasserstoffreiche Gasgemisch sollte bei Pt-Elektroden deutlich unter 100 ppm und bei PtRu-Elektroden deutlich unter 10 ppm liegen. Andernfalls werden zu viele katalytisch aktive Zentren der Membranoberfläche durch CO-Moleküle blockiert. Die Sauerstoffmoleküle bzw. Wasserstoff-Moleküle können nicht mehr adsorbieren und die Reaktion bricht in kürzester Zeit zusammen. Durch das Spülen der Brennstoffzelle mit reinem Inertgas oder reinem Wasserstoff kann das CO wieder von der Membran entfernt werden. CO führt jedoch auch bereits in der Region der Toleranzbereiche zu einer beschleunigten, irreversiblen Alterung der Membran.

Ziel der aktuellen Forschung ist es daher auch die CO-Toleranz der Membranen zu erhöhen. Ein anderer Lösungsansatz ist die Entwicklung von Hochtemperatur-PEMFCs die bei bis zu 200 °C arbeiten. Bedingt durch die deutlich höhere Temperatur beträgt die CO-Toleranz bis zu 1 %. Problematisch ist derzeit noch ein geeignetes Ionomer für diesen Temperaturbereich zu finden. Bei Nafion steigt der elektrische Widerstand zu stark an und es verliert seine Eigenschaft Protonen leiten zu können.

Schwefelgehalt

Schwefel und Schwefelverbindungen (hier insbesondere Schwefelwasserstoff) sind ein starkes Katalysatorgift. Verursacht wird dies durch eine starke Chemisorption auf der katalytisch aktiven Membranoberfläche. Es erfolgt eine nicht reversible Zerstörung. Die Konzentration im Gasstrom muss im unteren zweistelligen ppb-Bereich liegen um eine solche Schädigung zu vermeiden.