Was ist pem brennstoffzelle?

PEM-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

Die PEM-Brennstoffzelle (https://de.wikiwhat.page/kavramlar/PEM-Brennstoffzelle) ist eine Art von Brennstoffzelle, die ein Protonenaustauschmembran (PEM) als Elektrolyt verwendet. Sie wird auch als Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) bezeichnet.

Funktionsweise:

Die PEM-Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff.

1. Wasserstoffzufuhr: Wasserstoffgas (H₂) wird zur Anode der Zelle geleitet.
2. Oxidation: An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch in Protonen (H⁺) und Elektronen (e⁻) gespalten.
3. Protonentransport: Die Protonen wandern durch die PEM-Membran zur Kathode. Die Membran ist speziell dafür ausgelegt, Protonen zu leiten, aber Elektronen nicht.
4. Elektronentransport: Die Elektronen fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode, wodurch ein elektrischer Strom entsteht.
5. Sauerstoffzufuhr: Sauerstoffgas (O₂) wird zur Kathode geleitet.
6. Reduktion: An der Kathode reagieren die Protonen, die Elektronen und der Sauerstoff zu Wasser (H₂O).

Bestandteile einer PEM-Brennstoffzelle:

• Elektrode (Anode & Kathode): Die Anode (https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Anode) und Kathode (https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Kathode) sind poröse Materialien, die in der Regel aus Kohlenstoff bestehen und mit einem Katalysator (meist Platin) beschichtet sind, um die elektrochemischen Reaktionen zu beschleunigen.
• Elektrolyt (PEM-Membran): Die PEM-Membran (https://de.wikiwhat.page/kavramlar/PEM-Membran) ist eine dünne Polymermembran, die Protonen leiten kann, aber für Gase und Elektronen undurchlässig ist. Nafion ist ein häufig verwendetes Material für PEM-Membranen.
• Gasverteilerschichten (GDL): Die GDLs (https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Gasverteilerschichten) sind poröse Materialien, die den Transport von Wasserstoff und Sauerstoff zu den Elektroden erleichtern und gleichzeitig das entstehende Wasser abführen.
• Bipolarplatten: Bipolarplatten (https://de.wikiwhat.page/kavramlar/Bipolarplatten) dienen zur Verteilung der Gase, leiten den elektrischen Strom ab und bieten mechanische Stabilität für den Brennstoffzellenstapel.

Vorteile von PEM-Brennstoffzellen:

• Hoher Wirkungsgrad: PEM-Brennstoffzellen haben einen relativ hohen elektrischen Wirkungsgrad.
• Niedrige Betriebstemperatur: Sie arbeiten bei relativ niedrigen Temperaturen (typischerweise unter 100°C), was die Systemkomplexität reduziert.
• Schnelle Start-up-Zeit: PEM-Brennstoffzellen können schnell gestartet und gestoppt werden.
• Hohe Leistungsdichte: Sie bieten eine relativ hohe Leistungsdichte, was sie für mobile Anwendungen geeignet macht.
• Emissionsarm: Sie emittieren lediglich Wasser und Wärme, sofern reiner Wasserstoff verwendet wird.

Nachteile von PEM-Brennstoffzellen:

• Kosten: Die Kosten für PEM-Brennstoffzellen sind relativ hoch, insbesondere aufgrund des Einsatzes von Platin als Katalysator.
• Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen: Die PEM-Membran ist empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Wasserstoffgas, wie z. B. Kohlenmonoxid (CO).
• Wasserhaushalt: Ein optimaler Wasserhaushalt innerhalb der Zelle ist entscheidend für die Leistung. Die Membran muss ausreichend hydratisiert sein, um Protonen leiten zu können, aber ein Überschuss an Wasser kann die Elektroden überfluten und die Leistung beeinträchtigen.
• Haltbarkeit: Die Haltbarkeit der PEM-Membran ist begrenzt und kann durch chemischen Abbau und mechanische Beanspruchung beeinträchtigt werden.

Anwendungen:

PEM-Brennstoffzellen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter:

• Mobile Anwendungen: Fahrzeuge (Autos, Busse, Gabelstapler), tragbare Stromerzeuger.
• Stationäre Anwendungen: Notstromaggregate, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).
• Portable Elektronik: Laptops, Mobiltelefone.

Forschung und Entwicklung:

Die Forschung und Entwicklung im Bereich der PEM-Brennstoffzellen konzentriert sich auf:

• Kostensenkung: Reduzierung des Platingehalts oder Entwicklung alternativer Katalysatoren.
• Erhöhung der Haltbarkeit: Entwicklung robusterer PEM-Membranen.
• Verbesserung der Leistung: Optimierung der Zellkomponenten und des Betriebs.
• Entwicklung von Wasserstoffinfrastruktur: Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoffversorgung.