Eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) ist eine Brennstoffzelle, die Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, um elektrische Energie freizusetzen. Sein Unterscheidungsmerkmal ist eine Elektrolytmembran, die als Membran-Elektroden-Einheit (MEA) bezeichnet wird und die den Durchgang von Protonen, aber nicht von Elektronen ermöglicht. Eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran hat potentielle Anwendungen sowohl als stationäre als auch als tragbare Brennstoffzelle.
Eine MEA hat eine Anodenseite und eine Kathodenseite. Ein elektrischer Strom fließt in die Anodenseite der MEA und aus ihrer Kathodenseite heraus. Eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran liefert Wasserstoffgas an die Anodenseite der MEA, das die Wasserstoffatome in Elektronen und Protonen aufspaltet, ein Vorgang, der durch eine Gleichung gezeigt werden kann: H2 -> 2e- + 2H+. Die Protonen in dieser Reaktion wandern durch die MEA zu ihrer Kathodenseite, und die Elektronen gelangen über einen externen Kreislauf zur Kathodenseite der MEA. Die Kombination dieser Prozesse erzeugt einen elektrischen Strom.
Eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran liefert auch Sauerstoffgas an die Kathodenseite der MEA. Wenn die Moleküle des zweiatomigen Sauerstoffs (O2) in Sauerstoffatome gespalten werden können, können die durch die MEA wandernden Protonen mit diesen Sauerstoffatomen zu Wassermolekülen reagieren. Diese Reaktion kann auch durch eine Gleichung dargestellt werden: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
Die MEA muss mehrere Kriterien erfüllen, um Strom zu produzieren. Es kann nicht zulassen, dass Wasserstoff- oder Sauerstoffgas hindurchströmt. Die MEA muss auch der oxidativen Wirkung auf der Anodenseite und der reduzierenden Wirkung auf der Kathodenseite widerstehen können.
Platinkatalysatoren können verwendet werden, um Wasserstoffmoleküle relativ einfach zu spalten. Die Spaltung von Sauerstoffmolekülen mit Platinkatalysatoren erzeugt jedoch erhebliche elektrische Verluste. Ein zusätzliches Problem bei Platinkatalysatoren besteht darin, dass eine sehr kleine Menge Kohlendioxid ihre Leistung erheblich verschlechtert. Wissenschaftler hatten bis 2010 keinen praktischen Katalysator für die Spaltung von Sauerstoffmolekülen entdeckt, aber ein Katalysator aus Kohlenstoff, Eisen und Stickstoff war am vielversprechendsten. Die Hauptschwierigkeit bei diesem Katalysator besteht darin, dass seine Reaktionsgeschwindigkeit über einen kurzen Zeitraum schnell abfällt.
Wasser verursacht auch elektrische Verluste in einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran. Die Brennstoffzelle muss verhindern, dass überschüssiges Wasser die MEA überflutet, aber genügend Wasser zulassen, um die MEA vor dem Austrocknen zu bewahren. Das Wassermanagement in einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran ist schwierig, da das Wasser von der Kathodenseite der MEA angezogen wird. Elektroosmotische Pumpen sind eine mögliche Lösung für dieses Problem.