Die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC auch Proton Exchange Membrane Fuel Cell) gilt aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades, ihrer einfachen Handhabung, ihrer langen Lebensdauer und ihrer CO2-Resistenz als eine der Brennstoffzellen mit dem größten Potential für mobile und stationäre Verwendung. Daher gehen wir nun genauer auf diese ein.

Aufbau

Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht aus der Membranelektrodeneinheit (MEA) und zwei Bipolarplatten. Die Bipolarplatten sind Platten aus Graphit, Stahl oder Composit-Werkstoffen. Sie weisen viele feine Kanäle auf, die das Gas auf die Membranelektroden-einheit verteilen. Sie dienen außerdem der Temperaturregulation.

Die protonenleitende Membran aus sulfoniertem Tetrafluorethylen (Handelsname: Nafion) ist der Kern der Membranelektrodeneinheit. Sie ist von den beiden Elektroden (Kathode und Anode) umgeben. Die Kathode besteht aus Graphit, das mit Platinpartikeln beschichtet wurde. Die Anode setzt sich aus Graphit mit Nanopartikeln einer Platin-Rutheniumlegierung-beschichtung zusammen. Oftmals ist die Katalysatorschicht mit einer feinen Schicht Nafion besprüht. Abgeschlossen wird die MEA durch die Gasdiffusionsschicht (GDL), die aus porösem Kohlenstoffpapier oder -fasergewebe besteht und dünner als 100 µm ist.

Mehrere PEMFCs werden zu einer Funktionseinheit, einem „stack“ (engl. Stapel), zusammengeschlossen. An den beiden Polen des Stacks wird der Verbraucher angeschlossen. Durch Parallel- bzw. Reihenschaltung der einzelnen Zellen lässt sich die gewünschte Spannung und Stromstärke erreichen.

Funktionsprinzip

Bei einer PEMFC wird an der Anode Wasserstoff (H₂) zu Protonen (H⁺) oxidiert.
H₂ -> 2H⁺ + 2e^-

Das Gas strömt durch die Bipolarplatten ein. Mit Hilfe der Gasdiffusionsschicht wird für eine optimale Diffusion gesorgt. Die Platin-Rutheniumbeschichtung katalysiert die Oxidation. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen fließen über die Graphitelektrode zum Verbraucher. Die Anode ist also der Minuspol.
Die entstandenen Protonen werden über die Membran zur Kathode transportiert. Die Polymerelektrolytmembran besteht aus sulfoniertem Tetrafluorethylen. Sie nimmt Wasser auf, so dass die Ionenleitung über den Grotthuß-Mechanismus erfolgt. Die äußere Nafionbeschichtung des Katalysator dient dazu die Membran besser vor dem Austrocknen zu schützen und gleichzeitig die Protonenleitfähigkeit außen zu verbessern.

An der Kathode wird Sauerstoff (O₂) durch die Gasdiffusionsschicht an die Elektrode geleitet und dort an dem Platinkatalysator mit Elektronen zu Sauerstoffionen (O^2-) reduziert.
O₂ + 4e^- -> 2O^2-

Hier treffen die Protonen auf die Sauerstoffionen und es bildet sich Wasser (H₂O), das durch die Gasdiffusionsschicht abgeleitet wird.
4H⁺ + 2O^2- -> H₂O

Mit diesem Prinzip erreicht die PEMFC einen elektrischen Wirkungsgrad von bis zu 60%.