Eigenschaften und Aufbau

Die PEM-Brennstoffzelle (englisch Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC, auch Solid Polymer Fuel Cell, SPFC, und Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC) arbeitet je nach verwendetem Elektrolyt im Temperaturbereich von Zimmertemperatur bis $80\text{°C}$ (Niedertemperatur-PEMFC) oder $130$ bis $200\text{°C}$ (Hochtemperatur-PEMFC). Beide Typen erzielen Wirkungsgrade zwischen $40$ bis $60\text{\%}$. Die Kathode wird mit Sauerstoff, z.B. aus der Luft, und die Anode mit Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen wie Erdgas als Brennstoff versorgt.

Kathode und Anode sind poröse Graphit-Elektroden, die mit fein verteiltem Platin beschichtet sind. Getrennt sind Kathode und Anode durch den Elektrolyten, eine Protonen-leitende Polymermembran.

Niedertemperatur-PEMFC: Der Elektrolyt ist eine Polymermembran, z.B. aus Nafion¹⁾. Wird diese Membran befeuchtet, erhält sie einen sauren Charakter und wird für Protonen leitfähig. Die Leitfähigkeit steigt mit dem Wassergehalt. Wird Wasserstoff eingesetzt, der beim Reformieren fossiler Brennstoffe (Kohlenwasserstoffe) als Nebenprodukt anfällt, muss dafür gesorgt werden, dass darin enthaltenes Kohlenmonoxid (CO) nicht in die Zelle gelangt. Dies kann durch die Shift-Reaktion²⁾ und selektive CO-Oxidation erreicht werden. Kohlenmonoxid wird an der Platin-Schicht der Elektrode adsorbiert. Es wirkt also als Katalysatorgift und macht den Katalysator in der Niedertemperatur-PEMFC unbrauchbar.

Hochtemperatur-PEMFC:Der Elektrolyt ist eine Membran, die aus Polybenzimidazol besteht. Sie lagert stabil Phosphorsäure ein. Die Befeuchtung der Membran kann bei der Hochtemperatur-PEMFC daher entfallen. Weiterhin ist diese Zelle unempfindlicher gegen CO, da dies bei höheren Temperaturen verstärkt desorbiert wird.

Reaktion

Vor- und Nachteile

Vorteile:

• sehr gutes Kaltstartverhalten
• hoher Wirkungsgrad
• einzelne Zellen lassen sich einfach zu größeren Stapeln (sogenannten Brennstoffzellen-Stacks) zusammenschalten, um höhere Leistungen zu erreichen

Nachteile:

• Katalysatormaterial Platin ist sehr teuer
• Reinigung von reformiertem Ergas erforderlich, um Kohlenmonoxid zu entfernen

Anwendungen

Stromversorgung für Elektroantriebe (z.B. von Autos), Bordenergieversorgung bemannter Raumfähren, tragbare Stromversorgung und Batterieersatz (z.B. beim Campen oder auf Booten), Hausenergieversorgung (Kraft-Wärme-Kopplung)

Abb.1

Transport-Lastenrad mit PEM-Brennstoffzelle

Mit freundlicher Genehmigung von Masterflex

Mouse

Abb.2

Der Wasserstoff-Tank ist im Stauraum des Lastenrads untergebracht (links). Darunter befindet sich die Brennstoffzelle. Um diese zu sehen, klicken Sie auf den Tank.

Mit freundlicher Genehmigung von Masterflex

Das Brennstoffzellen-Transport-Lastenrad (Abb. 1) von Masterflex verfügt über eine PEM-Brennstoffzelle, die im Stauraum (Abb. 2) unter dem Wasserstoff-Tank angebracht ist. Nicht nur der Elektrohilfsmotor wird durch sie mit Strom versorgt, sondern auch die Beleuchtung und die Kühlung für den Stauraum. Die PEM-Zelle leistet $250\text{W}$ und liefert eine Gleichspannung von $24\text{V}$.

Das Rad ist für den Straßenverkehr zugelassen. Da es der Pedelec-Verordnung unterliegt, braucht man keinen Führerschein, keinen Helm und kein Nummernschild.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine PEM-Brennstoffzelle finden Sie in der Lerneinheit Brennstoffzellen - Funktionsweise und Anwendungen.