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Experten-Ratgeber: Technik & Anwendung von PEM-Brennstoffzellen

Was ist eine PEM-Brennstoffzelle? Wie ist sie aufgebaut und wie funktioniert sie? Wie hoch ist die Leistung einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle? Wo kommt dieser Brennstoffzellentyp zum Einsatz? Welche Vor- und Nachteile bringt sie?

  • Eine PEM-Brennstoffzelle (PEMFC) besitzt eine namensgebende Polymer-Membran und gehört mit vergleichsweise niedrigen 10 bis 100 °C Betriebstemperatur zu den Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen.
  • Die SOFC-Brennstoffzelle hat im Vergleich mit häufig über 60 Prozent einen besseren elektrischen Wirkungsgrad als PEM-Zellen mit einem Wirkungsgrad von i.d.R. bis zu 40 Prozent. Dafür sind sie langlebiger, sie besitzen eine Lebenserwartung von mindestens 10 Jahren und darüber.
  • PEM-Brennstoffzellen werden vor allem in mobilen Anwendungen eingesetzt. Sie werden aber auch als Brennstoffzellen-Heizungen genutzt, um als BHKW mit zusätzlichem Spitzenlastkessel Strom als auch Wärme zu liefern.
  • Sie vertragen hohe Stromdichten und passen sich in Sekundenschnelle an abrupte Stromschwankungen an. Als nachteilig galten bislang vor allem die hohen Kosten, die insbesondere durch den hohen Gehalt an Edelmetallen verursacht werden.

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Charakteristische Bezeichnungen für Brennstoffzellen vom Typ PEM

Namensgebend für eine PEM-Brennstoffzelle ist ihre Polymermembran als Elektrolyt - auf Englisch: „Proton Exchange Membrane“ (PEM), daher auch die Typenbezeichnung PEM.

Auf Deutsch wird sie daher auch als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle oder Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle - entsprechend auf Englisch „Polymer Electrolyte Fuel Cell“ (PEFC) - genannt. Gelegentlich wird sie auch als Feststoffpolymer-Brennstoffzelle - auf Englisch: „Solid Polymer Fuel Cell“ (SPFC) - bezeichnet.

Sie gehört zu den Niedrigtemperatur- bzw. Niedertemperatur-Brennstoffzellen (NT-Brennstoffzellen), denn ihre Arbeitstemperatur liegt bei vergleichsweise niedrigen 10 bis 100 °C.

Häufig wird hinter das PEM ein FC gesetzt. Dieses steht für die englische Bezeichnung "Fuel Cell", auf deutsch Brennstoffzelle. Die Abkürzung PEMFC sollte daher alleine stehen und nicht noch zusätzlich mit Brennstoffzelle (PEMFC-Brennstoffzelle) kombiniert werden.

Die Vitovalor PT2 (ehem. Vitovalor 300-P) ist eine stromerzeugende PEM-Brennstoffzellenheizung für das Ein- und Zweifamilienhaus. (Grafiken: Viessmann Werke GmbH & Co. KG)
Die Vitovalor PT2 (ehem. Vitovalor 300-P) ist eine stromerzeugende PEM-Brennstoffzellenheizung für das Ein- und Zweifamilienhaus. (Grafiken: Viessmann Werke GmbH & Co. KG)

Die PEM-Brennstoffzelle ist eine Entwicklung aus den frühen 1960er-Jahren aus dem Hause General Electric. Willard Thomas Grubb schuf in Schenectady (New York, USA) eine Ionen-Austauscher-Membran, die auf sulfoniertem Polystyrol beruhte. Drei Jahre danach gelang es Leonard Niedrach, darauf Platin abzuscheiden. Daher findet man insbesondere in der englischsprachigen Literatur auch die Typenbezeichnung „Grubb-Niedrach fuel cell“.

Bei den zwei für die Hausenergieversorgung gängigsten Typen handelt es sich neben der PEM-Brennstoffzelle um die SOFC (engl. Solid Oxide Fuel Cell).

Tabelle 1: Unterscheidung von SO- und PEM-Brennstoffzellen
Kriterium PEMFC SOFC
Elektrolyt Polymer-Membran Festkeramischer Elektrolyt
Arbeitstemperatur 70 bis 90 °C 650 bis 1000 °C
Brennstoff Wasserstoff, Erdgas, Methanol, Methan Wasserstoff, Erdgas, Methan
Anwendungsbereiche KFZ-Antrieb, BHKW, Mikro-KWK Kraftwerk, BHKW, Mikro-KWK
Elektrischer Wirkungsgrad ~ 32 bis 37 % ~ 33 bis 60 %

Experten-Tipp: Die SOFC-Brennstoffzelle hat mit bis zu 60 Prozent einen exzellenten elektrischen Wirkungsgrad. Als langlebiger haben sich die mit bis zu 40 Prozent elektrischem Wirkungsgrad weniger effizienten PEMFC-Brennstoffzellen erwiesen, da sie öfter an- und ausgeschaltet werden können. Sie besitzen eine Lebenserwartung von mindestens 10 Jahren, Tendenz steigend. Hauseigentümer sollten daher auf die Garantie achten: 10 Jahre sollten es auf jeden Fall sein.

Aufbau und Funktionsweise einer PEM-Brennstoffzelle

Die PEM-Brennstoffzelle wandelt unter Verwendung von Wasserstoff (H2) oder einem wasserstoffreichen Prozessgas und Sauerstoff (O2) chemische Energie in elektrische um.

Der Katalysator: Platin

In einer PEM-Brennstoffzelle sitzt ein Katalysator, der edelmetallhaltig ist. Da die PEM-Brennstoffzelle empfindlich gegen Kohlenmonoxid ist, sind die Elektroden mit Platin legiert. Eine zusätzliche Legierung aus Ruthenium verbessert den Schutz gegen Kohlenmonoxid. Neben Platin und Ruthenium (PtRu-Elektroden) kommen auch Platin und Nickel (PtNi-Elektroden) oder Platin und Cobalt (PtCo-Elektroden) zum Einsatz.

Ohne das Platin käme es nicht zu der gewünschten Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff. Erst dann, wenn eine sogenannte Aktivierungsenergie zugeführt würde, beispielsweise in Form eines Funkens, liefe die Reaktion explosionsartig ab. Jedoch bewirkt die Legierung eine leichte Absenkung der Umsetzungsgeschwindigkeit des Wasserstoffs und führt somit auch zu einer niedrigeren Zellspannung und damit zu einem geringfügig niedrigeren elektrischen Wirkungsgrad.

Hier sehen Sie ein 100-kW-Elektrolysesystem mit zwei PEM-Elektrolysestacks (Copyright: Forschungszentrum Jülich / R.-U. Limbach)
Forscher des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-3) konnten u.a. den Platin-Bedarf von PEM-Elektrolysezellen an der Kathode auf ein Zehntel (0,1 mg/cm2) reduzieren. Nach aktuellen Marktpreisen wird so pro Quadratmeter Zellfläche nur noch Platin im Wert von 25 Euro benötigt. (Foto-Copyright: Forschungszentrum Jülich / R.-U. Limbach)

Das Elektrolyt: Polymermembran aus Nafion

Der Elektrolyt der PEMFC besteht aus einer Kunststofffolie und ist durchlässig für Protonen (H+-Ionen) bzw. besteht aus einer festen protonenleitenden Polymermembran wie Nafion (oder Nachfolgeprodukte), einem perfluorierten Copolymer.

Diese Polymermembran lässt lediglich Protonen durch, Ladungsträger ist das Proton H+ bzw. Hydroniumion H3O+. Die Polymermembran ist auf beiden Seiten mit einem katalytisch reagierendem Elektrodenmaterial beschichtet. Hierfür werden z. B. sulfonierte Teflon-Membranen verwendet. Dabei handelt es sich um einen Mix aus Kohlenstoff (Ruß) und einem Katalysator.

Bewegung von Protonen und Elektronen zwischen Katode und Anode

Die Protonen und Elektronen werden in der PEM-Brennstoffzelle an der Anode infolge der Oxidation von Wasserstoff gebildet. Man sagt auch, dass die H2-Moleküle auf der Anodenseite dissoziieren und zu je zwei Protonen oxidieren, wobei zwei Elektronen abgegeben werden. Hierbei kommt es an der Anode zu einem Gleichgewicht zwischen adsorbierten Wasserstoff-Molekülen und hydratisierten Wasserstoff-Ionen.

Die Protonen - die H+-Ionen - bewegen (diffundieren) sich dann durch die Polymermembran hindurch zur Kathode. Dort findet die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser statt. Die dafür benötigten Elektronen fließen über einen äußeren Stromkreis zur Kathode, wobei sich die Elektroden aufladen, also elektrische Arbeit verrichten (Stichwort: Elektrodenpotential). Unter Zuführung von O2 reagieren an der Kathodenseite die Elektronen mit den Protonen. Bei der elektrochemischen Reaktion entsteht Wärme und H2O.

Während der Reaktion zwischen den beiden Elektroden wird eine sogenannte Potentialdifferenz erzeugt. Diese gilt als die treibende Kraft hinter der Reaktion der PEM-Brennstoffzelle. Die Potentialdifferenz kann im äußeren Stromkreis zu elektrischer Arbeit umgewandelt werden. Um diese zu nutzen, werden Anode und Kathode an den elektrischen Verbraucher angeschlossen. Diese Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie wird auch kalte Verbrennung genannt.

Auf der Anodenseite wird bei der Reaktion auch Wasser benötigt. Dieses wird anschließend auf der Kathodenseite wieder abgegeben. Zum Decken dieses Wasserbedarfes ist entsprechend ein zusätzliches Wassermanagement notwendig.

Die entsprechenden Gleichungen zu dieser Reaktion lauten:

  • Anode: 2H2 => 4H+ + 4e-
  • Kathode: O2 + 4e- => 2 O2- und 2O2- + 4H+ => 2H2O
  • Gesamtreaktion: 2H2 + O2 => 2H2O

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Brennstoffzellen-Spannung und -Wirkungsgrad

Theoretische Spannung

In der Theorie liegt die Ruhespannung, die man an einer PEM-Brennstoffzelle messen kann, bei 1,23 Volt (V). Sie resultiert aus den Standardpotentialen der Elektroden. Denn es gilt:

U = UH (Kathode) - UH (Anode).

Für eine mit Wasserstoff (aus dem Brennstoff) und Sauerstoff (aus der Luft) betriebene PEM-Brennstoffzelle heißt die Gleichung:

U = UH (Sauerstoff) - UH (Wasserstoff) = 1,23 V – 0 V = 1,23 V.

Das Elektrodenpotential der Wasserstoffhalbzelle wird per Definition mit 0 V beziffert, woraus die theoretisch mögliche Ruhespannung von 1,23 V resultiert.

In der Praxis kommt eine PEM-Brennstoffzelle allerdings nicht auf diese theoretisch mögliche Spannung. Vielmehr werden dort lediglich Spannungen zwischen 0,6 und 0,9 V erzielt. Der Grund dafür sind sogenannte Spannungsverluste, die es unter anderem wegen gehemmter Reaktion oder nicht ausreichender Gasdiffusion gibt.

Diese bei der Reaktion in der PEM-Brennstoffzelle theoretisch frei gesetzte Spannung kommt der Spannung gleich, die rein theoretisch für die Elektrolyse von Wasser wenigstens nötig wäre. Wozu anzumerken ist, dass auch dort die genannte theoretische Spannung nicht reichen würde. Schließlich wäre auch bei der Elektrolyse unter anderem der Ohmsche Widerstand des Elektrolyten zu überwinden, was eine höhere Spannung bräuchte.

Elektrischer Wirkungsgrad

Der elektrische Wirkungsgrad einer PEM-Brennstoffzelle informiert über das Verhältnis zwischen gewonnener und aufgewandter Energie. Eine PEM-Brennstoffzelle kommt in Abhängigkeit vom Wasserstoff liefernden Brennstoff theoretisch auf elektrische Wirkungsgrade zwischen 70 und nahezu 100 Prozent.

In der Praxis liefern PEM-Brennstoffzellen allerdings niedrigere tatsächliche elektrische Wirkungsgrade. Denn wie zuvor geschrieben, kommen die PEM-Brennstoffzellen praktisch nicht auf die theoretischen Spannungswerte. Realistisch ist daher ein PEM-Brennstoffzellen-Wirkungsgrad von 40 bis 70 Prozent. Er lässt sich als Quotient aus tatsächlicher und theoretischer Spannung errechnen. Bei vielen PEM-Brennstoffzellen liegt der tatsächliche elektrische Wirkungsgrad (je nach Arbeitspunkt) bei etwa 60 Prozent.

Die Betriebstemperatur von PEM-Brennstoffzellen liegt in der Regel bei Werten zwischen vergleichsweise niedrigen 60 und 120 °C. Für einen steten Betrieb der Brennstoffzelle wird meist eine Temperatur zwischen 60 und 85 °C gewählt.

Typische Anwendungen und Betriebsweisen

Mobile PEMFC-Anwendungen

PEM-Brennstoffzellen sind vor allem mobil in Betrieb, wobei ihre Abwärme meist ungenutzt bleibt. Man findet sie zum Beispiel in Brennstoffzellenfahrzeugen, U-Booten, Raumschiffen oder Akku-Ladegeräten für unterwegs.

Im Auto ersetzen PEMFC fossile Brennstoffe durch Wasserstoff und den Verbrennungsmotor mit einer Brennstoffzelle und einem Elektromotor. Aus ihrem Auspuff kommen dann keine Schadstoffe, sondern nur noch Wasserdampf. Die elektrische Energie treibt dann den Elektromotor an und versorgt u.a. Kompressor, Kühlwasserpumpe etc.

Nachteilig an NT-PEM-Brennstoffzellen im Auto ist, dass durch die niedrige Abgastemperatur der größte Teil der ungenutzten Energie durch erheblich leistungsfähigere Kühlsysteme als im konventionellen Auto abgeführt werden muss. Aus diesem Grund muss auch leistungsfähigere und damit teurere Katalysatoren - Katalysatormaterial ist überwiegend Platin - eingesetzt werden, um die Abgase zu reinigen. Daher gelten in dieser Hinsicht eher HT-PEM-Brennstoffzelle mit einer Betriebstemperatur bis 180 °C als Autoantriebstechnik der Zukunft.

Stationäre Heizwärmeversorgung

Daneben sind auch stationäre Betriebsweisen der PEM-Brennstoffzellen möglich. Dabei wird die Abwärme zwischen 60 bis 80 °C zur z. B. Heizwärmeversorgung in Wohnhäusern eingesetzt. Dort erzeugen sie bei einem Nutzwärmeniveau von 80 °C in etwa gleich viel Wärme und Strom.

Tabelle 2: Marktübersicht über PEM-Brennstoffzellen für die Hausenergieversorgung (Quelle: ASUE Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e. V.)
Hersteller Elcore SenerTec Viessmann inhouse engineering
Modell Elcore 2400 Dachs InnoGen Vitovalor PT2 inhouse5000+
Typ HT-PEMFC NT-PEMFC NT-PEMFC NT-PEMFC
Leistung (el / th) 0,3 / 0,7 kW 0,7 / 0,96 kW (modulierend) 0,75 / 1 kW 5 / 7,5 kW
Thermische Leistung des Zusatzbrenners 2,8 bis 19,5 kW / 7,8 bis 33,2 kW oder extern, individuell wählbar 5,2 bis 21,8 kW 5,5 bis 19 kW extern, individuell wählbar
Elektrischer Wirkungsgrad 32% bis zu 37% 37% 34%
Gesamt-Wirkungsgrad 104% 91% 90% 92%
Brutto-Preise* rund 20.000 Euro rund 28.000 Euro rund 25.000 Euro rund 30.000 Euro

* Die hier genannten Preise für PEM-Brennstoffzellen-BHKW stammen aus unterschiedlichen Quellen und dienen nur einer groben Orientierung. Da sich die Preise fortlaufend ändern und i.d.R. sinken, sollten Sie unbedingt beim Hersteller oder einem entsprechenden Händler bzw. Anbieter die aktuellen Angebotspreise für PEM-Brennstoffzellen abfragen. Weiterführend finden Sie in unserem Ratgeber "Die wichtigsten Brennstoffzellen-Heizgeräte" eine Übersicht über alle am Markt etablierten SOFC- und PEM-Brennstoffzellen.

Heutige Entwicklungen der Hochtemperatur PEM-Brennstoffzelle (HT-PEMFC) können bei bis zu 200 °C arbeiten, dadurch bietet sich eine noch verbesserte Möglichkeit die Abwärme durch geeignete Wärmerückkopplungsverfahren zu nutzen. Beim Einsatz und Nutzung dieser Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) kommen PEM-Brennstoffzellen auf einen Gesamtwirkungsgrad von 90 Prozent und höher.

Stromgeführte Betriebsweisen

Zudem sind auch primär stromgeführte Betriebsweisen möglich. Damit die elektrische Spannung, die die PEM-Brennstoffzelle erzeugt, jedoch technisch auch relevant wird, kann man zwischen zehn und mehrere hundert zu einem so genannten Stack (auf Deutsch: Stapel) hintereinander in Reihe schalten. Für die Kühlung des Stacks ist dann allerdings ein extra Kühlkreislauf nötig.

Da Wasserstoff aufgrund seines geringen Energiegehalts schwer zu lagern und zu transportieren ist, können einfach zu lagernde Wasserstoffträger wie Methansäure verwendet werden, um zeitlich versetzt Strom zu erzeugen. Dazu werden spezielle Katalysatoren eingesetzt, die die Extraktion von Wasserstoff aus Methansäure erleichtern.

Im Projekt "HYFORM-PEMFC" der GRT Group und einer Forschungsgruppe der Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) wurde 2018 auf Basis eines Ruthenium-Katalysators eine neue integrierte Methansäure-Wasserstoff-PEM-Brennstoffzelle entwickelt, die sowohl für den Hausgebrauch als auch für industrielle Anwendungen geeignet ist.

Schematische Darstellung der Funktionsweise der Methansäure-PEMFC-Brennstoffzelle "HYFORM-PEMFC" (Grafik: GRT Group / GlobalCom PR Network)
Schematische Darstellung der Funktionsweise der Methansäure-PEMFC-Brennstoffzelle "HYFORM-PEMFC" (Grafik: GRT Group / GlobalCom PR Network)

Vorteile und Nachteile der PEM-Technik

Tabelle 3: Vorteile und Nachteile der PEM-Brennstoffzellentechnik im Überblick
Vorteile Nachteile
Sie besitzt einen festen, CO2-beständigen Elektrolyten, sodass es keine aggressiven Flüssigkeiten gibt, die auslaufen könnten. Sie besitzt eine aufwendige Systemtechnik, um das eingesetzte Brenngas insbesondere Erdgas zu reformieren und zu konvertieren, da der Katalysator der PEM sehr anfällig auf Kohlenmonoxid reagiert.
Sie hat ein gutes dynamisches Verhalten. Die niedrige Abwärme-Temperatur von 60 bis 80 °C weist zudem den Vorteil auf, dass die PEMFC über ein gutes Kaltstartverhalten verfügt. Eine schnelle Alterung der Membrane, verbunden mit einer abnehmenden Leistung des Brennstoffzellenstapels, kann durch einen zu hohen Kohlenmonoxid-Gehalt verursacht werden.
Auf der Kathodenseite kann Luft verwendet werden, sodass kein Reingas erforderlich wird. Wasser- und Wärmemanagement nötig, um ausreichend Strom und Wärme zu produzieren.
Die PEM-Brennstoffzelle bietet eine hohe Stromdichte. Die geringe Abwärmetemperatur einer NT-PEM-Brennstoffzelle reicht in bestimmten Anwendungsfällen nicht für eine Brauchwassererwärmung aus.

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"PEM-Brennstoffzelle: Technik & Kosten im Vergleich" wurde am 14.05.2018 das letzte Mal aktualisiert.