PEM Brennstoffzelle: Funktion, Wirkungsgrad & Hersteller | Kesselheld

PEM Brennstoffzelle: Funktion, Wirkungsgrad & Hersteller

Eine PEM Brennstoffzelle erzeugt aus chemischen Energieladungen Strom. Ein Katalysator bringt die beiden chemischen Elemente Sauerstoff und Wasserstoff zur Reaktion. Durch die Ladungen der Elektronen und deren chemische Umwandlung entsteht aus den beiden getrennten Energieträgern durch einen Überbrückungsanschluss abzapfbare elektrische Energie.

pem brennstoffzelle

Da im Reaktionsvorgang Protonen eine wichtige Rolle spielen, wird die Bezeichnung PEM Brennstoffzelle im englischen auch mit Proton Exchange Membrane Fuel Cell oder Polymer Electrolyt Membrane übersetzt.

Wo wird die Technik eingesetzt?

Anwendung finden diese Brennstoffzellen in Fahrzeugen und als Wärme- und Stromerzeuger in Häusern. Sie können zwecks Leistungsanpassung unbegrenzt in Reihe geschaltet werden. Bei gleicher Größe übertreffen sie die Leistung von Batterien. Die größte und schwierigste technische Herausforderung ist die Herstellung von reinem Wasserstoff.

Aufbau und Funktionsweise

In der Mitte der PEM Brennstoffzelle befindet sich die Membran in rechteckiger Plattenform. Auf ihr ist eine ebenfalls plattenförmige Anode und auf der gegenüberliegenden Seite eine Kathode angebracht. Die Anode wird mit Wasserstoff versorgt, die Kathode mit Luft. Beide Elektroden sind verbunden. Wasserstoff reagiert durch den Katalysator aus Edelmetall, meist Platin und entledigt sich seiner zwei Elektronen. Bei dieser Oxidation entstehen zwei Protonen, die durch die Membran zur gegenüberliegenden Kathode „wandern“. Beim Eintreffen der Protonen und Elektronen des Wasserstoffs auf der Kathodenseite und dem dort befindlichen Sauerstoff erzeugt die nächste Reaktion Wasser beziehungsweise H2O.  Als „Abfallprodukt“ dieser doppelten chemischen Reaktion entsteht elektrische Energie, die durch einen überbrückenden Zusammenschluss von Anode und Kathode abgenommen wird.

Physikalisches Verhalten und Wirkungsgrade

PEM Brennstoffzellen gehören zu den Niedertemperaturbrennstoffzellen mit Erwärmungstemperaturen zwischen zehn und hundert Grad Celsius. Im praktischen Betrieb werden sie meist mit siebzig bis achtzig Grad „gefahren“.

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Der Wirkungsgrad der PEM Brennstoffzelle definiert in der Regel die Relation zwischen der aufgebrachten chemischen Energie und der verwertbaren elektrischen Energie. Er liegt zwischen 35 und 70 Prozent. Kühlung und Strömung senken insbesondere bei kombinierten in Reihe geschalteten Brennstoffzellen die Wirkungsgrade.

Thermodynamische Wirkungsgrade werden auch als theoretische Wirkungsgrade bezeichnet. Sie beschreiben die physikalisch denkbare und mögliche Höchstausbeute an Strom. Der Spannungswirkungsgrad ist von nachgeordneter Bedeutung und meist nur bei Reihenschaltungen mehrerer Einzelzellen eine relevante Größe.

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Wer eine PEM Brennstoffzelle kaufen möchte, stellt den Leistungsbedarf durch die Größe der einzelnen Zelle und einer Reihenschaltung, dem sogenannten Stack, zusammen. Je größer die Elektrodenflächen auf der Membran sind, desto mehr leistet die einzelne Zelle.

Marktangebot und Produzenten für eine PEM Brennstoffzelle

Beim Bedarf einer PEM Brennstoffzelle mit 1kW wird ein leistungsstärkerer Stack genutzt, der sich technisch drosseln lässt. Bekannte Hersteller einer Niedertemperatur PEM Brennstoffzelle sind BE Power, Bluegen, H-Tec, Inhouse Engineering, Sener Tec, SolidPower und Viessmann. In Deutschland sind etwa fünfzig Anbieter und Produzenten aktiv.

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Heizbauunternehmen in Deutschland setzen bevorzugt auf Hochtemperaturbrennstoffzellen mit Festoxidtechnik (SOFC Brennstoffzellen). Die Betriebstemperaturen der Geräte liegen zwischen 600 und tausend Grad. Sie weisen gegenüber den PEM Brennstoffzellen eine größere Toleranz bezüglich der Reinheit des eingeleiteten Wasserstoffs auf.

Aus wenig Strom mehr machen

PEM Brennstoffzellen lassen sich als Batterieersatz oder Kleinststromlieferant selber bauen. Zu beachten ist das technische Prinzip, das vereinfacht ausgedrückt, aus wenig Strom mehr Strom erzeugt. Um die notwendigen chemischen Reaktionsvorgänge in der Zelle mittels „umgedrehter“ Elektrolyse auszulösen, müssen die Elektroden mit Arbeitsstrom versorgt werden. So können beispielsweise kleine Batterien das Laden größerer Batterien ermöglichen.