Funktionsweise einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
Funktionsweise einer Brennstoffzelle - (c) www.h-tec.com
Das mit am erfolgversprechenste Brennstoffzellensystem für eine mobile und portable Anwendung scheint zur Zeit (2002, K. K.) die PEMFC zu sein, weil für sie bei einem hohen Systemwirkungsgrad von etwa 50 % und ausreichender Langzeitbeständigkeit mit zu Hochleistungsbatterien konkurrenzfähigen Preisen in der Herstellung erwartet wird. Die PEMFC weist eine hohe Dynamik über den gesamten Leistungsbereich auf.

Das PEMFC-System wird mit Wasserstoff und Sauerstoff in Form von Luft gespeist. Die Gase gelangen durch Zuleitungen unter leichtem Druck zur Brennstoffzelle oder zu dem aus mehreren Zellen aufgebauten Zellenstapel. Die unkontrollierte Knallgasreaktion wird durch die räumliche Tennung der Gase durch den Polymer-Elektrolyten verhindert. In der Zelle folgt eine Verteilung der Gase über geometrische Strukturen auf die Gasdiffusionselektroden. Diese einseitig mit Katalysator beschichteten Elektroden aus Kohlenstoffvlies unterstützen den Wasserhaushalt der Membran. An der Grenzfläche von Elektrode und Membran findet die eigentliche Drei-Phasen-Reaktion statt. Der Wasserstoff wird an der Feststoffelektrode adsorbiert, atomisiert, oxidiert und an das Wasser/Membran-System übergeben. Die Membran ist undurchlässig für Gase und ca. 0,1 mm dick. Die Protonen werden auf Grund des Potentialgefälles durch die Membran transportiert und an der Kathode mit Sauerstoff und Aufnahme von Elektronen über Wasserstoffperoxid zu Wasser umgesetzt. Die Reaktionen an den Phasengrenzschichten, mit dem Katalysator in der Zelle, werden schematisch in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Membran-Elektroden-Einheit (engl.: membrane electrode assembly - MEA), das eigentliche Herz der Brennstoffzelle, ist hier in der Zelle abgebildet. Im "Stack" sind die einzelnen Zellen voneinander durch Biopolarplatten getrennt. Diese übernehmen die Wärmeabfuhr und Versorgungsanbindungen der Zellen.

Skizze eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle - (c) Alexander Dyck
Skizze einer Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle
Die PEMFC wird häufig im Bereich von Temperaturen von 50 bis 80 °C betrieben, um die Leitfähigkeit der Membran zu erhöhen und die katalytische Umsetzung an den Elektroden zu beschleunigen. Sie kann von Raumtemperatur beginnend bis zu 120 °C betrieben werden. Um starke Materialbeanspruchung zu vermeiden, wird das System meistens unter 90 °C betrieben. Die Leistungsdichte liegt mit 0,5 bis 1,0 W/cm² um den Faktor 3 bis 5 höher als bei anderen Brennstoffzellentypen. Weitere Vorteile sind die kompakte Bauweise und ein geringes Einbauvolumen. Es gibt keinen Verlust des Elektrolyten und keine Korrosionsprobleme durch agressive Medien. Ziel der Entwicklung für portable Systeme ist es, in Zukunft auf die Gasbefeuchtung (Hervorhebung K. K.) und Luftkompression verzichten zu können.
 
Wasserstoffversorgung

Der am besten zu verstromende Energieträger für jede Brennstoffzelle ist Wasserstoff, der mit Sauerstoff, z. B. aus der Luft, umgesetzt wird. Die Wasserstoffversorgung ist eines der Kernprobleme, das der Etablierung der PEMFC im Wege steht. Der Wasserstoff muß in Speichern bevorratet oder direkt vor dem Einsatz erzeugt werden. Wie alle Gase benötigt Wasserstoff ein großes Volumen. Um äquivalente Energiemengen im Verhältnis zu anderen Energielieferanten bereitzustellen, werden sehr hohe Drücke von weit über den heute üblichen 300 bar benötigt. Die Wasserstoffspeicherung als Flüssigkeit ist wegen der notwendigen tiefen Temperaturen von -253 °C aufwendig. Zur Herstellung von flüssigem Wasserstoff wird ein hoher Energieaufwand (1/3 der Eigenenergie) benötigt. In Metall-Hydrid-Speichern wird Wasserstoff von einigen Metallen und deren Legierungen adsorbiert. Diese geben den Wasserstoff unter Abkühlung und geringem Druck wieder reversibel ab. Die Beladung der Speicher dauert wegen der abzuführenden Wärmemengen länger als ein heute üblicher Tankvorgang eines Pkw, und die gravimetrische Energiedichte der Speicher ist relativ gering. Die Ergebnisse für Speicher auf Basis von Kohlenstoff, die als "single walled carbon nano tubes" 1998 mit reversibeler Aufnahme von 10 bis 15 Gewichtsprozent Wasserstoff für Euphorie gesorgt haben, konnten nicht bestätigt werden.

Mit den Energiedichten der fossilen Energieträger können Wasserstoffspeicher nicht konkurrieren. Deshalb bietet sich als Alternative zur Speicherung von Wasserstoff die Reformierung wasserstoffreicher Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methanol (CH3OH) an, um die Brennstoffzelle mit wasserstoffreichem Gas zu versorgen. Die katalytischen Verfahren arbeiten bei Temperaturen von 250 bis 450 °C, um aus Methanol ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen. Die Nebenbestandteile Kohlendioxid und Kohlenmonoxid des Reformatgases bereiten hier technische Probleme. Kohlenmonoxid besetzt als Katalysatorgift die aktiven Stellen des Platinkatalysators der Wasserstoffanode. Aus diesem Grund muß das Rohgas nach der Reformierung nachbehandelt werden. Vor allem die Daimler Benz AG versucht das Reformerkonzept zu miniaturisieren und die Wasserstoffversorgung für Fahrzeuge im Individualverkehr einzusetzen.

aus: Alexander Dyck: Entwicklung von Membranmaterialien auf Basis aromatischer Polymere und deren Charakterisierung für die Anwendung in Direkt-Methanol-Brennstoffzellen, S. 12 - 14