Mitglied werden
Brennstoffzellen > Typen > PEMFC

Polymer-Elektrolyt - Brennstoffzelle (PEFC) [umgangssprachlich meist PEM genannt]

Die Polymer-Elektrolyt - Brennstoffzelle ("Polymer Electrolyte Fuel Cell" - PEFC) ist eine Niedertemperaturbrennstoffzelle (auch NT-PEFC). Sie arbeitet bei Betriebstemperaturen unter 100 °C. Seit einiger Zeit beschäftigt man sich auch mit der Entwicklung der Hochtemperatur-PEFC. Durch die Verwendung anderer Membranmaterialien ist es möglich, die Reaktionstemperatur auf bis zu 180 °C anzuheben.

Aufbau

Charakteristisches Kennzeichen der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist die dünne, gasdichte, protonenleitende, feste Polymermembran als Elektrolyt. In diese Kunststoffhaut sind Säuregruppen eingebunden, d.h. die Protonen diffundieren durch die Membran wie bei allen sauren Zellen von der Anode zur Kathode, wo sie zusammen mit den Sauerstoff-Ionen zu Wasser rekombinieren. Der für die Ionenleitung notwendige Wassergehalt heute verfügbarer perfluorierter Polymermembranen (z.B. aus NAFION®) führt zu der Begrenzung der Betriebstemperatur auf max. 100 °C.  Der elektrische Kontakt von den Elektroden zu den bipolaren Platten erfolgt über metallische oder Kohlenstoff enthaltende Stromableiter (Gasdiffusionslage). Diese Stromableiter müssen gas- und flüssigkeitsdurchlässig sein, um den Antransport der Reaktionsgase und den Abtransport des Reaktionswassers zu ermöglichen. (Quelle Grafik rechts: Vaillant)

Bei den niedrigen Temperaturen sind Katalysatoren notwendig, um eine ausreichende Reaktionsgeschwindigkeit der elektrochemischen Reaktion sicherzustellen. Aus materialtechnischer Sicht erfordert der stark saure Charakter der Membran (vergleichbar mit Schwefelsäure) den Einsatz von Edelmetallkatalysatoren wie Platin oder Platinlegierungen. Die Membranen werden mit dem edelmetallhaltigen Katalysator beschichtet, wobei der polymere Elektrolyt teilweise in die porösen Elektrodenstrukturen hinein reicht. In der Reduzierung der notwendigen Katalysatormenge und damit verbundener Kostenreduzierung liegt eines der Hauptentwicklungsziele bei der PEFC.

Die verwendeten Katalysatoren sowie Elektrolyte erfordern eine vergleichsweise hohe Brenngasreinheit (siehe Kapitel Brenngaserzeugung). Als Brenngas kommt nur H2 in Betracht. Oxidationsmittel ist O2, wobei im Unterschied zur AFC auch ein Luftbetrieb möglich ist; dies erweitert die Einsatzmöglichkeiten der PEFC deutlich. Kohlenmonoxid (CO) wird jedoch nur in sehr geringen Mengen toleriert, da es als Katalysatorgift wirkt.

Foto: Zentrum für BrennstoffzellenTechnik GmbH, Duisburg

Der wirtschaftlich interessante Leistungsbereich liegt zwischen wenigen Watt und ca. 300 kWe. Die technisch erreichbaren Vorlauftemperaturen von 75 °C bei Abwärmenutzung eignen sich für die Heizwärmeversorgung. Der elektrische Zellenwirkungsgrad liegt etwa bei 58 %, der elektrische Systemwirkungsgrad zwischen 32 und 40 %.

Neuere Entwicklungen zielen auf die Erhöhung der Betriebstemperatur und eine Verringerung der Katalysatorbeladung. Beides hat die Absenkung der Systemkosten zum Ziel. Bei den sogenannten Hochtemperatur-PEFC (HT-PEFC) werden mittlerweile Betriebstemperaturen von bis zu 180 °C erzielt. Dies gestattet es, auch mit geringeren Brenngasreinheiten zu arbeiten. Außerdem läßt sich die Reaktionswärme auf einem deutlich höheren Temperaturniveau auskoppeln, was die Verwendung kleinerer und damit preiswerterter Wärmeaustauscher ermöglicht.

Einsatzbereiche

Die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau, ein sehr flexibles Verhalten - schnelle Lastwechsel sind möglich -, gute Kaltstarteigenschaften und eine kompakte Bauform infolge hoher Leistungsdichte aus. Sie bietet damit neben dem Einsatz in der stationären Kraft-Wärme-Kopplung, in der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und in der Notstromversorgung auch die notwendigen Voraussetzungen für den mobilen Einsatz in Kraftfahrzeugen und portablen Geräten wie zum Beispiel Mobiltelefone und Laptops.

Ihr wird ein großes Marktpotenzial vorausgesagt. Nicht zuletzt durch den Einsatz in der dezentralen Strom- und Wärmeversorgung für Ein- und Mehrfamilienhäuser sowie der Stromversorgung in Kraftfahrzeugen mit in beiden Fällen hohen Stückzahlen könnte eine deutliche Reduzierung der Kosten realisiert werden. Im stationären Einsatz mit Batteriespeicher ließe sich sogar ein Inselbetrieb realisieren. (Quelle Bild rechts: Vaillant)