Die Polymerelektrolytmembran (PEM) ist die zentrale Komponente in der PEM-Brennstoffzelle und wird aufgrund ihres Funktionsprinzips auch als Protonen-Austauschmembran bezeichnet. Sie ermöglicht im Zusammenwirken mit den Elektroden den Umwandlungsprozess von chemischer in elektrischer Energie. Die Membran besteht aus einem Polymermaterial, das Protonen (H⁺-Ionen) leiten kann, aber für Elektronen und Gase wie Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) undurchlässig ist. Die Hauptfunktion der PEM besteht im Transport der Protonen (H⁺-Ionen) von der Anoden- auf die Kathodenseite. Gleichzeitig wird durch die elektrisch isolierende Wirkung der direkte Kontakt zwischen den beiden Elektroden vermieden, weshalb die Elektroden über einen externen Stromkreis gezwungen werden. Aufgrund der Gasdichtheit werden die Reaktionsräume voneinander getrennt und eine direkte Reaktion vermieden. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit ist eine ausreichende Befeuchtung der PEM, da die Transportprozesse innerhalb der Membran vom Wassergehalt abhängig sind. Außerdem ist die Protonenleitfähigkeit stark temperaturabhängig, weshalb die Betriebstemperatur meist im Bereich von 80 bis 90°C liegt. Daher ist für einen effizienten Betrieb und der Erhöhung der Langlebigkeit die Regelung des Wasser- und Temperaturmanagements von zentraler Bedeutung.
Arten
Die Funktionalität der PEM kann durch unterschiedliche chemische Verbindungen umgesetzt werden. Das eingesetzte Polymer ist dabei das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen den Membranarten. Übergreifend können die Polymere in drei Hauptgruppen unterteilt werden. Etabliert sind die polyfluorierten bzw. teilweise polyfluorierten Membranen, wo insbesondere Perfluorsulfonsäure-Verbindungen (z.B. Nafion®) den Hauptteil ausmachen. Die anderen beiden Gruppen sind die nicht-fluorierten Polymere und Verbindungen auf Basis von Säure-Base-Mischungen. Weitere Polymerverbindungen, z.B. Membranen mit Composit-Werkstoffen, sind in der Entwicklung. Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht über Polymerverbindungen für Membranen von PEM-Brennstoffzellen:
| Perfluoriert (Perfluorinated) | Teilweise fluoriert (Partially fluorinated) | Nicht fluoriert (Non-fluorinated) | Säure-Basen-Mischungen (Acid-base blends) | Sonstige (Others) |
|---|---|---|---|---|
| PFSA PFCA PFSI Gore-select | PTFE-g-TFS PVDF-g-PSSA | NPI BAM3G SPEEK SPPBP MBS-PBI | SPEEK/PBI/P4VP SPEEK/PEI SPEEK/PSU(NH2)2 SPSU/PBI/P4VP SPSU/PEI SPSU/PSU(NH2)2 PVA/H3PO4 | Supported composite membrane Poly-AMPS |
Quelle: [3]
Anforderungen
Die Hauptanforderungen an eine effiziente PEM-Membran sind eine hohe Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger hoher Lebensdauer und Haltbarkeit. Zu berücksichtigen sind dabei die ökonomischen und ökologischen Faktoren. Eine effiziente PEM-Membran muss daher die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- Hohe Protonenleitfähigkeit
- Hohe Widerstandsfähigkeit in elektrochemischer Umgebung
- Gute Befeuchtungseigenschaften
- Gasdichtheit gegenüber den Reaktanten zur Vermeidung des „Crossover“
- Gute mechanische und thermische Stabilität
- Resilienz gegenüber Schadgasen und anderen Brennstoffen
- Einsatz von kostengünstigen Materialien
- Leichte Synthese des Polymers
- Recyclingfähigkeit
Herausforderungen
Die Weiterentwicklung der Membranmaterialien, insbesondere der chemischen Verbindungen, ist ein stetiges Thema in der Forschung und Entwicklung. Untersucht werden hierbei die Degradationseffekte und die Langzeitstabilität der Membran, u. a. durch den Einfluss von Kaltstarts. Neben der Optimierung bestehender Polymere und deren Fertigungstechnologien stehen auch gänzlich neue Materialien im Fokus. Treiber ist hierbei die Diskussion um ein PFAS-Verbot (per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen), welches aktuell für den Brennstoffzellenbereich mit einer Sonderreglung umgangen wird. Die Substanzen gilt es zukünftig durch andere chemische Verbindungen zu substituieren und auf nachhaltige Rohstoffe zurückzugreifen.
Literatur
[1] Pan, Mingzhang; Pan, Chengjie; Li, Chao; Zhao, Jian (2021): A review of membranes in proton exchange membrane fuel cells: Transport phenomena, performance and durability. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 141, S. 110771. DOI: 10.1016/j.rser.2021.110771.
[2] Ahmad, Shahbaz; Nawaz, Tahir; Ali, Asghar; Orhan, Mehmet Fatih; Samreen, Ayesha; Kannan, Arunachala M. (2022): An overview of proton exchange membranes for fuel cells: Materials and manufacturing. In: International Journal of Hydrogen Energy 47 (44), S. 19086–19131. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.04.099.
[3] Peighambardoust, S. J.; Rowshanzamir, S.; Amjadi, M. (2010): Review of the proton exchange membranes for fuel cell applications. In: International Journal of Hydrogen Energy 35 (17), S. 9349–9384. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2010.05.017.
