Was ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle?
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, um elektrische Energie freizusetzen. Sein Unterscheidungsmerkmal ist eine Elektrolytmembran, die als Membranelektrodenanordnung (MEA) bezeichnet wird und den Durchgang von Protonen, jedoch nicht von Elektronen ermöglicht. Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle kann sowohl als stationäre als auch als tragbare Brennstoffzelle eingesetzt werden.
Eine MEA hat eine Anodenseite und eine Kathodenseite. Ein elektrischer Strom fließt in die Anodenseite der MEA und aus ihrer Kathodenseite heraus. Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle liefert Wasserstoffgas an die Anodenseite der MEA, die die Wasserstoffatome in Elektronen und Protonen aufspaltet. Dieser Vorgang kann durch folgende Gleichung dargestellt werden: H2 -> 2e- + 2H +. Die Protonen bei dieser Reaktion wandern durch die MEA zu ihrer Kathodenseite und die Elektronen gelangen durch einen externen Stromkreis zur Kathodenseite der MEA. Die Kombination dieser Prozesse erzeugt einen elektrischen Strom.
Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle liefert auch Sauerstoffgas an die Kathodenseite der MEA. Wenn sich die Moleküle des zweiatomigen Sauerstoffs (O2) in Sauerstoffatome aufspalten lassen, können die durch die MEA laufenden Protonen mit diesen Sauerstoffatomen zu Wassermolekülen reagieren. Diese Reaktion kann auch durch eine Gleichung gezeigt werden: O + 2H + + 2e- -> H 2 O.
Die MEA muss mehrere Kriterien erfüllen, um Strom zu produzieren. Es kann weder Wasserstoff noch Sauerstoff durchlassen. Die MEA muss auch dem oxidativen Effekt auf der Anodenseite und dem reduzierenden Effekt auf der Kathodenseite widerstehen können.
Mit Platinkatalysatoren können Wasserstoffmoleküle relativ leicht gespalten werden. Die Spaltung von Sauerstoffmolekülen mit Platinkatalysatoren führt jedoch zu erheblichen elektrischen Verlusten. Ein zusätzliches Problem bei Platinkatalysatoren besteht darin, dass eine sehr kleine Menge Kohlendioxid deren Leistung erheblich verschlechtert. Wissenschaftler hatten bis 2010 keinen praktischen Katalysator für die Spaltung von Sauerstoffmolekülen entdeckt, aber ein Katalysator aus Kohlenstoff, Eisen und Stickstoff hatte sich als vielversprechend erwiesen. Die Hauptschwierigkeit bei diesem Katalysator besteht darin, dass seine Reaktionsgeschwindigkeit über einen kurzen Zeitraum schnell abnimmt.
Wasser verursacht auch elektrische Verluste in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle muss verhindern, dass überschüssiges Wasser die MEA überflutet, aber es muss genügend Wasser vorhanden sein, damit die MEA nicht austrocknet. Das Wassermanagement in einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle ist schwierig, da das Wasser von der Kathodenseite der MEA angezogen wird. Elektroosmotische Pumpen sind eine mögliche Lösung für dieses Problem.