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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

1960
  • Willard Thomas Grubb
  • Leonard Niedrach
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle im Labormaßstab, die Energieumwandlungstechnologie demonstriert.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Eine Protonenaustauschmembran Brennstoffzelle (PEMFC) uses a solid polymer membrane, such as Nafion, as its electrolyte. This membrane selectively conducts protons ([latex]H^+[/latex]) from the anode to the cathode. PEMFCs operate at low temperatures (typically 50-100°C), enabling rapid start-up and a compact design. They require high-purity hydrogen as fuel to avoid poisoning the platinum-based Katalysatoren.

The heart of the PEMFC is the membrane electrode assembly (MEA), which consists of the proton-exchange membrane sandwiched between two catalyst-coated electrodes. At the anode, hydrogen gas is split into protons and electrons: [latex]H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-[/latex]. The solid polymer membrane, which is an electrical insulator, allows only the protons to pass through to the cathode. The electrons are forced to travel through an external circuit, generating the electrical current. At the cathode, oxygen from the air, the protons from the membrane, and the electrons from the external circuit combine to form water: [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

A critical aspect of PEMFC operation is water management. The membrane must remain hydrated to maintain its proton conductivity, but excess water at the cathode (product water) can block the flow of oxygen to the Katalysator sites, a phenomenon known as ‘flooding’. The low operating temperature makes PEMFCs susceptible to catalyst poisoning, particularly from carbon monoxide (CO) present in reformed hydrogen, which binds strongly to the platinum catalyst sites. This necessitates the use of very pure Wasserstoffbrennstoff, was die Betriebskosten erhöht.

UNESCO Nomenclature: 3305
Energietechnologie

Typ

Physikalisches Gerät

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Erfindung des Brennstoffzelle by William Grove (1838)
  • Entwicklung der ersten Ionenaustauscher-Polymermembran, Nafion, durch Walther Grot bei DuPont (Ende der 1960er Jahre)
  • research into platinum’s catalytic properties

Anwendungen

  • Antriebssysteme für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs) wie die Toyota Mirai und Hyundai Nexo
  • Notstromaggregate für kritische Infrastrukturen
  • tragbare Stromgeneratoren für Freizeit- und Militärzwecke
  • Materialtransportfahrzeuge wie Gabelstapler
  • Energiequellen für das Gemini-Raumschiff der NASA

Patente:

  • US2913511A (Willard T. Grubb, 1959)

Potenzielle Innovationsideen

  • Selbstbefeuchtende Membranen, die Wasser zurückhalten und so das Brennstoffzellensystem vereinfachen
  • platinfreie Katalysatoren unter Verwendung von Übergangsmetallen oder Graphen-basierten Materialien
  • Hochtemperatur-PEMF-Wandler (HT-PEMF-Wandler), die bis zu 200 °C betrieben werden können und die CO-Toleranz verbessern
  • membranes with integrated reinforcement to improve mechanical durability and Lebensdauer
  • Direktmethanol- oder Ethanol-PEMCs, die flüssige Brennstoffe verwenden
  • geschlossener Regelkreis water management systems that recycle product water for membrane hydration
  • 3D-gedruckte Gasdiffusionsschichten für optimierten Reaktantenfluss
  • KI-basierte Diagnosesysteme zur Vorhersage von Membranversagen und Katalysatorabbau
  • PEFCs integriert mit Metallhydriden zur Festkörper-Wasserstoffspeicherung
  • Bipolarplatten aus leichten, korrosionsbeständigen Verbundwerkstoffen
Verwandt mit: PEFC, Protonenaustauschmembran, Nafion, Katalysator, Platin, Wasserstoffbrennstoff, Membran-Elektroden-Einheit, Niedertemperatur, Automobilindustrie, General Electric.

Historischer Kontext

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC)

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1965-12-21
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1962-10-09
1964
1970

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

10. Jahr Jubiläum

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