PEM

Eine Polymerelektrolytmembran (PEM) ist eine dünne, feste Kunststofffolie, die Protonen leitet und gleichzeitig Elektronen und Gase blockiert. Sie sitzt im Herzen von PEM-Brennstoffzellen und PEM-Elektrolysoren, wo sie die wesentliche Aufgabe erfüllt, chemische Reaktionen zu trennen, die sich sonst gegenseitig aufheben würden. Die Membran besteht typischerweise aus Perfluorsulfonsäure-Polymer (wie Nafion), ein Fluorkohlenwasserstoff-Rückgrat mit Sulfonsäure-Seitenketten, die Wasser aufnehmen und es Protonen ermöglichen, durchzuhüpfen.

In einer Brennstoffzelle trennt die PEM die Anode von der Kathode. Wasserstoff tritt auf der Anodenseite ein, wo er zu Protonen und Elektronen oxidiert wird. Die Elektronen wandern durch einen externen Stromkreis, um eine Last zu versorgen; die Protonen passieren die Membran selbst und rekombinieren mit Sauerstoff und Elektronen an der Kathode, um Wasser zu produzieren. Die Membran muss undurchlässig für Wasserstoff- und Sauerstoffgas sein, sonst überquert Brennstoff die Membran und die Zelle verliert an Effizienz. Die Membrandicke liegt typischerweise zwischen 50 und 200 Mikrometern.

In einem Elektrolyseur arbeitet die PEM in umgekehrter Richtung: Ein elektrischer Strom spaltet Wasser an der Anode in Wasserstoffgas und an der Kathode in Sauerstoff auf, wobei Protonen durch die Membran wandern. Diese Konfiguration ist sauberer als die Alkalielektrolyse, da sie trockene Gase erzeugt und mit höheren Stromdichten arbeitet, aber die raue Säureumgebung und hohe Spannungen erfordern Materialien mit echter Haltbarkeit.

Ausfallmechanismen und Verschleiß

PEMs verschleißen durch mehrere Mechanismen. Fluoridionenattacke bricht Bindungen im Polymer-Rückgrat, besonders bei hoher Temperatur oder niedriger relativer Luftfeuchte. Mechanische Belastung durch Wasser-Aufnahme- und Abgabezyklen verursacht Risse und Lochbildung. Die Überkreuzung von unreaktierten Gasen führt zu Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden und erzeugt lokale Hotspots. Die meisten handelsüblichen PEM-Membranen sind für 40.000 bis 80.000 Betriebsstunden in stationären Brennstoffzellenanwendungen ausgelegt, aber Automotive- und Zyklusbetriebsarten beschleunigen den Ausfall.

Der Begriff "Polymerelektrolytmembran" unterscheidet diese Technologie von älteren Festoxidelektrolyten (die über 800 Grad Celsius arbeiten) und Alkalinembranen. PEM arbeitet bei 60 bis 80 Grad Celsius, was die Systemkosten senkt und die Materialien vereinfacht, aber die Membran selbst bleibt die einzeln teuerste Komponente in einem PEM-Brennstoffzellenstapel und macht ungefähr 30 Prozent der Stapelkosten aus.