Polymerelektrolytbrennstoffzelle

Grundprinzip und Aufbau

Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEFC) ist eine Niedrigtemperatur-Brennstoffzelle. Sie wird auch Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEMFC beziehungsweise LT-PEMFC) oder Feststoffpolymer-Brennstoffzelle (SPFC) genannt. Sie wandelt mit Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) chemische Energie in elektrische Energie um. Ihr elektrischer Wirkungsgrad beträgt, je nach Arbeitspunkt, etwa 60 Prozent.

Als Elektrolyt, also als Material für den inneren Ionentransport, dient gewöhnlich eine feste Polymermembran, etwa aus Nafion. Sie arbeitet bei 60 bis 120 °C; für den kontinuierlichen Betrieb werden bevorzugt 60 bis 85 °C gewählt. Die Membran ist auf beiden Seiten mit katalytisch aktiven Elektroden beschichtet. Diese bestehen aus Kohlenstoff (Ruß) und einem Katalysator, häufig Platin, Platin-Ruthenium (PtRu), Platin-Nickel (PtNi) oder Platin-Cobalt (PtCo).

An der Anode werden H₂-Moleküle gespalten und oxidiert: Es entstehen Protonen und Elektronen. Die Protonen diffundieren durch die Membran; die Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis und können dort elektrische Arbeit leisten. An der Kathode wird Sauerstoff mit diesen Elektronen und den durch die Membran gelangten Protonen zu Wasser reduziert. Damit elektrische Arbeit genutzt werden kann, sind Anode und Kathode mit einem elektrischen Verbraucher verbunden.

Reaktionen und Wasserhaushalt

Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻. Dies ist eine Oxidation, also eine Elektronenabgabe.

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O. Dies ist eine Reduktion, also eine Elektronenaufnahme.

Gesamtreaktion: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. Sie ist die Redoxreaktion beziehungsweise Zellreaktion der Brennstoffzelle.

Der innere Ladungstransport erfolgt durch Oxonium-Ionen. Für die Reaktion an der Anodenseite wird Wasser benötigt, das an der Kathodenseite wieder abgegeben wird. Deshalb ist ein aufwändiges Wassermanagement nötig: Der Wasserbedarf der Anode wird unter anderem durch Rückdiffusion durch die Membran und durch Befeuchtung der Edukte, also der Ausgangsstoffe, gedeckt.

Einsatz und Verschaltung

PEFC werden vor allem mobil eingesetzt, wenn ihre Abwärme nicht genutzt wird. Wegen ihrer hohen Energiedichte eignen sie sich besonders für Schwerlastanwendungen, etwa Brennstoffzellenfahrzeuge, U-Boote, Raumschiffe und mobile Akkumulatorladegeräte. Möglich sind auch stationäre Kleinanlagen mit einem Abwärmeniveau von etwa 60 bis 80 °C.

Eine einzelne Zelle liefert keine technisch ausreichend hohe Spannung. Daher werden zehn bis mehrere hundert Zellen hintereinander in Reihe zu einem Stack, einem Stapel von Zellen, geschaltet. Der Stack besitzt einen zusätzlichen eigenen Kühlkreislauf zur Temperaturregelung.

Stationär ist auch ein wärmegeführter Einsatz, zum Beispiel in Wohnhäusern, bei einem Nutzwärmeniveau von 80 °C möglich. Dabei können aus Biowasserstoff oder aus Wasserstoff, der nach dem Kværner-Verfahren aus Erdgas erzeugt wird, Wärme und elektrischer Strom in etwa gleichem Verhältnis entstehen. Diese Kraft-Wärme-Kopplung kann einen Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent erreichen.

Herstellung von Zelle, Stack und System

Die Produktion der PEFC ist noch durch Kleinserien geprägt, obwohl Hersteller Serienproduktionen vorbereiten oder sich in frühen Phasen davon befinden. Unterschieden werden Komponenten-, Stack- und Systemproduktion.

Zu den Komponenten gehören die Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und die Bipolarplatte (BPP). Eine MEA besteht aus der katalysatorbeschichteten Membran (CCM) und zwei Gasdiffusionslagen (GDL). Die CCM ist die Membran, auf die beide Elektroden aufgetragen sind. Sie entsteht durch Mischen, Beschichten, Trocknen und gegebenenfalls Heißpressen. Für die GDL werden Karbonfasern zerkleinert und zu Karbonpapier verarbeitet; danach folgen Imprägnieren, Graphitieren, Hydrophobieren und das Ergänzen einer mikroporösen Schicht. CCM und GDL werden mit einer Dichtung, dem Subgasket, zur MEA gefügt. Das Subgasket hat Ausschnitte für Strömungsfelder, Manifolds und die aktive Fläche.

Bipolarplatten bestehen aus graphitischem oder metallischem Substrat. Bei metallischen BPP wird das Material beschichtet und umgeformt; zwei Halbplatten werden gefügt, auf Dichtheit geprüft und beidseitig mit Dichtungen versehen. In der Stackfertigung werden die Wiederholkomponenten gestapelt, vormontiert, komprimiert und verspannt. Anschließend folgen Prüfungen auf Dichtheit und elektrische Isolation sowie Einfahren und Funktionsprüfung. Zusätzlich gehören beispielsweise Verspanneinheit, Medienzufuhr und elektrische Messkomponenten zum Stack. Bei der Systemfertigung wird er mit Hilfsaggregaten für Wasser- und Sauerstoffzufuhr, Thermomanagement und Leistungselektronik verbunden; dazu zählen mechanische und elektrische Integration sowie End-of-Line-Testing.

Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxid und Schwefel

Bei den niedrigen Betriebstemperaturen von 60 bis 120 °C ist Kohlenstoffmonoxid (CO) ein wichtiges Problem. Die CO-Konzentration der kathodenseitig zugeführten Luft und des anodenseitig zugeführten wasserstoffreichen Gasgemischs sollte bei Platin-Elektroden deutlich unter 10 ppm, bei Platin-Ruthenium-Elektroden deutlich unter 30 ppm liegen. Sonst blockiert CO katalytisch aktive Zentren auf der Membranoberfläche. Sauerstoff beziehungsweise Wasserstoff kann dann nicht mehr adsorbiert werden, und die Reaktion bricht rasch zusammen. Spülen mit reinem Inertgas oder reinem Wasserstoff kann CO von der Membran entfernen.

Auch innerhalb dieser Toleranzbereiche beschleunigt CO die irreversible Alterung der Membran. Eine geringe Luftbeimischung von höchstens 1 Vol.-% kann diesen Effekt aufheben; Betriebszeiten von mehr als 15.000 h sind dann nachweisbar. Forschung zielt auf höhere CO-Toleranz und höhere Betriebstemperaturen. Für Nafion ist dies schwierig: Bei höheren Temperaturen steigt sein elektrischer Widerstand stark, und ohne flüssiges Wasser verliert es die Fähigkeit zur Protonenleitung. Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen verwenden dagegen eine Säure mit hohem Siedepunkt als Elektrolyt.

Schwefel und Schwefelverbindungen, besonders Schwefelwasserstoff, sind starke Katalysatorgifte. Durch starke Chemisorption an der katalytisch aktiven Membranoberfläche verursachen sie eine nicht reversible Zerstörung. Um Schäden zu vermeiden, muss ihre Konzentration im Gasstrom im unteren zweistelligen ppb-Bereich liegen.

Vorteile und Grenzen

Vorteile einer Niedertemperatur-PEM auf Nafion-Basis sind der feste Elektrolyt, aus dem keine aggressiven Flüssigkeiten auslaufen können, die hohe Leistungsdichte und das gute dynamische Verhalten. Auf der Kathodenseite kann Luft statt reinem Sauerstoff verwendet werden. Außerdem ist der Elektrolyt CO₂-beständig.

Nachteilig ist die hohe Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen des Brenngases durch CO, NH₃ und Schwefelverbindungen. Das Wassermanagement ist aufwändig, weil die Membran weder austrocknen noch das Wasser in ihr gefrieren darf. Der Anlagenwirkungsgrad wird mit 34 % oder 50 bis 68 % angegeben; für Wirkungsgrade über 50 % sind laut Artikel relativ hohe Temperaturen bis zu 800 °C erforderlich.