PEM steht für "Protonen-Austausch-Membran" (Proton Exchange Membrane) oder auch "Polymerelektrolyt-Membran" (Polymer Electrolyte Membrane). Wie der Name schon sagt, ist die Membran das wichtigste Kennzeichen dieses Brennstoffzellentyps. Die Membran - die ähnlich aufgebaut ist wie ein atmungsaktiver Textilstoff - trennt die Elektroden (Anode/Kathode) elektrisch voneinander und ist gleichzeitig auch gasdicht, so dass der Wasserstoff nicht auf die Sauerstoffseite diffundieren kann. Allerdings ist die Membran protonenleitend, lässt also die H+ Wasserstoff-Ionen passieren. Beide Elektroden sind mit einem Katalysator belegt, der jeweils für die Aufspaltung der Gasmoleküle (H2/O2) sorgt. Dies geschieht unter Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen. Der Elektronenüberschuss an der Anode bzw. der Elektronenmangel an der Kathode sorgt für eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden und somit für eine elektrische Spannung.
Die PEM-Brennstoffzelle kann mit Luft betrieben werden und hat gewichts- und volumenbezogen eine sehr hohe Leistungsdichte.
Zwei Arten vom PEM-Brennstoffzellen sind in der Entwicklung: Niedertemperaturzellen (bis etwa 90°C) und Hochtemperaturzellen (bis etwa 180°C). Niedertemperaturzellen reagieren empfindlich auf Kohlenmonoxid (CO). Dieses Gas kann den Anoden-katalysator blockieren, was zu einem Leistungsabfall führt. Hochtemperaturzellen reagieren gegenüber CO und anderen Verunreinigungen unempfindlich, ihr Elektrolyt besteht aus PBI (Polybenzimidazole), einem Material das auch für Feuerfeste Kleidung verwendet wird. Brennstoffzellen mit diesem Elektrolyten sind aufgrund der einfacheren Wärmeabfuhr kompakter im System, einfacher und damit auch billiger zu produzieren. Die Leistungsabgabe von PEM-Brennstoffzellen lässt sich mit sehr großer Dynamik regeln. Daher eignen sie sich insbesondere hervorragend für den mobilen Einsatz.
Derzeit steht die PEMFC im Vordergrund der gesamten Brennstoffzellenentwicklung. Ein Grund hierfür ist das große Potential für die Massenfertigung dieses Zelltyps.
Ziel ist es die Kosten eines Brennstoffzellen-Antriebssystems für Fahrzeuge in den Bereich der Kosten für einen verbrennungs-motorischen Antrieb zu senken. Dies wären etwa 50 Euro pro kW.
Schritt 1
Die in zwei Kreisläufen getrennten Gase Sauerstoff und Wasserstoff wandern vom Gasraum in den Katalysator.
Schritt 2
Die Wasserstoffmoleküle (H2) werden durch den Katalysator in zwei H+ Atome (Protonen) gespalten. Dabei gibt jedes Wasserstoffatom sein Elektron ab.
Schritt 3 Die Protonen wandern durch den Elektrolyten (Membran) zur Kathodenseite.
Schritt 4
Die Elektronen treten in die Anode ein und bewirken so einen elektrischen Stromfluß, der einen Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt.
Schritt 5
Jeweils vier Elektronen an der Kathode rekombinieren mit einem Sauerstoffmolekül.
Schritt 6
Die nun entstandenen Sauerstoff-Ionen sind negativ geladen und wandern zu den positiv geladenen Protonen.
Schritt 7
Die Sauerstoff-Ionen geben ihre beiden negativen Ladungen an zwei Protonen ab und oxidieren mit diesen zu Wasser.
Die PEM-Brennstoffzelle ist sehr flexibel in der Anwendung, vom Mobiltelefon über Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bis zu Fahrzeugantrieben. PEM-Brennstoffzellen werden inzwischen in zahlreichen Prototypfahrzeugen demonstriert. Personenwagen, Lieferwagen und Stadtbusse aber auch Fahrräder und Roller werden mit PEM-Brennstoffzellenantrieben ausgerüstet.
Auch für Schienenfahrzeuge, z.B. für Straßenbahnen oder Regionalzüge, eignen sich PEM-Brennstoffzellen. Dadurch kann auf die Oberleitung verzichtet werden.
PEM-Brennstoffzellen eignen sich ebenfalls gut zur Kraft-Wärme-Kopplung für kleine dezentrale Energieversorgungssysteme. Etwa als Hausheizung mit kombinierter Stromerzeugung. Weltweit sind bereits einige tausend dieser Systeme installiert, vor allem in Japan. Mit einer Kommerzialisierung daher innerhalb der nächsten Jahre zu rechnen. Diese Systeme erzeugen den Wasserstoff in Reformern aus Erdgas oder Flüssiggas.
Kleine mobile Geräte wie Laptops und Mobiltelefone sind ebenfalls denkbar. Derzeit wird dieser Markt allerdings eher von Direkt-Methanol-Brennstoffzellen (DMFC) bedient, da flüssiges Methanol in kleinen Kartuschen eine hohe Energiedichte hat. Für etwas größere Anwendungen, etwa Roller, Rollstühle, Lastenfahrräder oder Kleinstlieferfahrzeuge gibt es ein 70 MPa (700 bar) Kartuschen-System für Wasserstoff, so dass hierfür wieder eher die PEM-Brennstoffzelle eingesetzt wird.
