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Versuch zur Leistung einer Brennstoffzelle

Beispiel: Membran-Brennstoffzelle

Eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, die häufig eingesetzt wird, ist die Membran-Brennstoffzelle oder PEM-Brennstoffzelle (von englisch Polymer Electrolyte Membrane). Durch ihren hohen Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren, die kompakte Bauform, die Möglichkeit zu schnellen Lastwechseln und ihr gutes Kaltstartverhalten lässt sich die PEM-Brennstoffzelle breit anwenden, etwa zur Stromversorgung von Elektroantrieben in Autos, als Batterie- und Akkumulatorenersatz für Laptops oder zur Hausenergieversorgung.

Aufbau und Funktionsweise einer Membran-Brennstoffzelle

Abb.1
Schematischer Aufbau einer Membran-Brennstoffzelle
h-tec Wasserstoff-Energie-Systeme GmbH

Der Elektrolyt einer Membran-Brennstoffzelle ist nicht flüssig, sondern fest: Er besteht - wie der Name verrät - aus einer dünnen (einige zehn bis hundert Mikrometer) Polymermembran, die Protonen leitet. Auf beiden Seiten der Polymermembran befindet sich eine poröse Graphit-Elektrode (Abb. 1) , die mit fein verteiltem Platin beschichtet ist. Eine Seite bildet die Kathode, die andere die Anode der Brennstoffzelle.

Wasserstoff-Gas, das an die Anode geführt wird, zerfällt durch die katalytische Wirkung der Elektrode schon bei Zimmertemperatur in Protonen (H+-Ionen) und Elektronen:

2H2 4H++ 4e Anodenreaktion

Die Protonen gelangen von der Anodenseite durch die Membran auf die Kathodenseite. Die Elektronen wandern - bei geschlossenem äußeren Stromkreis - zur Kathode und verrichten auf diesem Weg elektrische Arbeit. An der Kathode verbinden sich die Protonen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser:

O2+ 4H++ 4e 2H2O Kathodenreaktion

Die Gesamtreaktion in der PEM-Brennstoffzelle lautet:

2H2+ O2 2H2O

(Abb. 2) veranschaulicht die beschriebenen elektrochemischen Prozesse in der PEM-Brennstoffzelle.

Abb.2
Vertonte Animation zur Veranschaulichung der elektrochemischen Prozesse in einer Membran-Brennstoffzelle

Die Protonen leitende Membran

Abb.3
chemische Struktur von Nafion®

Aus dem Kunststoff mit dem Handelsnamen Nafion werden Membranen hergestellt, die Protonen leiten. Die Sulfonsäure-Gruppen bilden ionische Cluster mit einem Durchmesser von 3 bis 5nm in der unpolaren, teilweise mikrokristallinen Fluorocarbon-Matrix. Dazwischen werden verbindende "Kanäle" postuliert. Sie enthalten ionische Gruppierungen, die sich nicht in Clustern befinden, frei hängende Seitenketten und Wasser. Nafion kann bis zu 22 Gewichtsprozent an Wasser aufnehmen, das vor allem als Hydratationswasser an die Sulfonsäure-Gruppen gebunden ist.

Nafion® vom Chemiekonzern E. I. DuPont de Nemours and Co. (DuPont) ist ein Beispiel für eine Membran, die Protonen leitet. Es ist ein Copolymer aus Tetrafluorethylen (Teflon®) und Perfluoro-alkylvinylethern. Das Tetrafluorethylen bildet das Grundgerüst der Membran und verleiht ihr eine chemische, mechanische und thermische Stabilität. Am Ende der Seitenketten befinden sich Sulfonsäure-Gruppen (−SO3H). Wird die Membran befeuchtet, erhält sie einen sauren Charakter - tendiert also dazu, ein Proton abzugeben. Eine deprotonierte Sulfonsäure-Gruppe ist wiederum in der Lage, ein Proton aufzunehmen. Somit können Protonen über die Sulfonsäure-Gruppen durch die Membran wandern, die Membran wird leitfähig für Protonen. Anionen und Elektronen können die Membran hingegen nicht passieren (elektrisch isolierend). Sie können nicht über die Sulfonsäure-Gruppen wandern.

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