Polymer-Elektrolyt-Membran
Brennstoffzellen - PEMFC
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Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen werden auch als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen bezeichnet. Wie aus der Bezeichnung zu erkennen ist, wird jeweils eine Fest-Polymer-Membran als Elektrolyt verwendet, durch den die Protonen von der Anode zur Kathode transportiert werden. Die meisten Membranen besitzen ein sulfoniertes Fluorpolymer als Grundgerüst, wie beispielsweise auch Polytetrafluorethylen (PTFE), welches sowohl in reduzierender als auch in oxidierender Umgebung chemisch inert ist. Die Membran ist in den meisten Fällen die temperaturbegrenzende Komponente. Dabei ist die Betriebstemperatur für PTFE-basierte Membranen im Bereich von 120°C bis 130°C. Sie kann jedoch für andere Membranmaterialien (Poly-Benzinidosol (PBI)-Membran) auch Temperaturen von mehr als 200°C betragen. Einhergehend mit der niedrigen Betriebstemperatur ist es notwendig Edelmetalle wie Platin (Pt) und Ruthenium (Ru) als Elektroden einzusetzen. Als Anodenbrennstoff wird reiner Wasserstoff oder reformierter Wasserstoff, gewonnen aus fossilen Rohstoffen, wie z.B. Erdgas, verwendet und die Kathode kann mit Luft als Sauerstoffquelle arbeiten. Die elektrochemische Reduktionsreaktion des Sauerstoffs und die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs sind nachfolgend dargestellt:Anodische Oxidation des Wasserstoffs: H2
Kathodische Reduktion des Sauerstoffs: ½O2
+ 2H+ + 2e- Gesamt-PEMFC-Reaktion:
H2 +
½O2
Außer durch das produzierte Wasser, können die kathodischen Luftkanäle auch durch Wasser, welches mit den Protonen durch die Membran transportiert wird, gefüllt werden (auch als Fluten bezeichnet). Der Protonentransport durch die Membran ist abhängig von der Feuchtigkeit der Membran. Aus diesem Grund ist in der PEM-Brennstoffzelle ein Wassermanagment nötig. Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen können als Energiewandler in allen Arten von Systemen eingesetzt werden, von portablen Elektroniken über Automobilanwendungen bis zu stationären Kraftwerken. Dabei liegen die Hauptvorteile bei niedrigen Betriebstemperaturen, schnellem Startverhalten, hoher Leistungsdichte und einem einfachen System. |
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1 KW portabel PEMFC, Ballard. |
25 W portabel DMFC, Smart Fuel Cell. |
Bipolplatte aus Graphit mit Verteilerstrukturen, Schunk. |
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Die
PEMFC kann auch mit einer Methanol-Wasser-Mischung betrieben werden und
wird dann als Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (Engl. Direct Methanol Fuel
Cell, DMFC) bezeichnet. Methanol
kann flüssig oder gasförmig vorliegen, was in den meisten Fällen von
den Betriebsbedingungen und den Anwendungen abhängig ist. Ein Nachteil
der DMFC ist die kompliziertere und deutlich trägere Anodenoxidation des
Methanols im Vergleich zu Wasserstoff. Ruthenium wir als Bi-Katalysator
auf die Anode gebracht um die CO-Vergiftung während der Reaktion zu
unterbinden (siehe nachstehende Gleichungen). Anodische Oxidation des Methanols: CH3OH
+ H2O Kathodische Reduktion des Sauerstoffs: 1½O2
+ 6H+ + 6e- Gesamt-DMFC-Reaktion: CH3OH
+ 1½O2
Die
Ähnlichkeit der physikalischen Eigenschaften zwischen Wasser und Methanol
liegen in der Durchlässigkeit des Methanols von der Anode durch die
Membran zur Kathode. Dieser Effekt, als Methanol-Crossover bezeichnet,
bewirkt ein Mischpotenzial an der Kathode und somit eine Verringerung der
Gesamt-Zellspannung. Aus diesem Grund und durch die wesentlich langsamere
Oxidation des Methanols im Vergleich zu Wasserstoff, ist die
Leistungsdichte der DMFC geringer als bei einer PEMFC. Nichtsdestotrotz
machen die einfache Speicherung des energiedichtereichen Brennstoffs und
das einfache Systemdesign die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle sehr
attraktiv als Ersatz wiederaufladbarer Batterien in portablen Anwendungen.
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DMFC Konzept für Handy's, Motorola. |
DMFC als Batterielade- Gerät für Handy's, ZSW. |
Necar 5, PEMFC mit integrierten Methanolreformer, Daimler Chrysler. |
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Größere Einheiten werden gewöhnlich mit Reformern zur Wandlung fossiler Brennstoffe in Wasserstoff ausgestattet. Nach solch einem Prozess beinhaltet das Brenn-Gas bestimmte Mengen an Carbonoxiden und Sulfiden, welche alle Gifte für Brennstoffzellen darstellen. Kohlenmonoxid CO zum Beispiel, adsorbiert Partikel am Katalysator, welche die weitere Wasserstoffzufuhr blockieren. Um den Gehalt des CO an der Anode zu minimieren, sollte der Gehalt kleiner als 20 ppm sein. Diese Toleranz für CO im ppm-Bereich gilt nur für Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen und kann sich auf mehrere 1000 ppm für Hochtemperatur-Brennstoffzellen erhöhen. Deshalb wird ein wesentliches Augenmerk auf die Entwicklung besserer Reformer und Reinigungssysteme im Zusammenhang mit CO-toleranten Katalysatoren für Brennstoffzellen gesetzt. |
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