Die PEM-Brennstoffzelle wird heiß: Neue Membran erlaubt Temperaturen von bis zu 200 Grad

Eine neue Membran-Elektroden-Einheit (MEA) soll PEM-Brennstoffzellen mit Arbeitstemperaturen von bis zu 200 Grad Celsius ermöglichen. Damit könnten Brennstoffzellensysteme deutlich einfacher und billiger in der Herstellung werden. Möglich werden die hohen Temperaturen durch ein bisher in Brennstoffzellen kaum eingesetztes Membranmaterial. Das deutsche Unternehmen PEMEAS stellte auf der Hannover-Messe seine neuen Hochtemperatur-MEAs vor.

Herkömmliche PEM-Brennstoffzellen arbeiten bei Temperaturen von etwa 80 Grad. Bei solch niedrigen Temperaturen werden die Komponenten zwar thermisch weniger belastet. Dennoch sind höhere Temperaturen gewünscht: Das im Brenngas Wasserstoff als Verunreinigung enthaltene Kohlenmonoxid (CO) stört die Wirkung der Katalysatoren erheblich und muss daher aufwändig aus dem Brenngas entfernt werden. Ab etwa 150 Grad Celsius kann das Gas den Katalysatoren dagegen kaum mehr etwas anhaben.

Auch ist die Kühlung der Brennstoffzelle bei höheren Arbeitstemperaturen einfacher: Ein Brennstoffzellenauto muss auch bei Außentemperaturen von mehr als 50 Grad laufen, wie sie beispielsweise im kalifornischen Death Valley herrschen. Bei 80 Grad im Brennstoffzellenstack ist die Temperaturdifferenz jedoch so gering, dass ein extrem großer Durchsatz an Kühlmittel notwendig ist, um die entstehende Wärme abzuführen. Hohe Arbeitstemperaturen in der Zelle sind auch für die Hausenergie interessant, da sie eine effektivere Ausnutzung der entstehenden Wärme ermöglichen. Zu den Vorteilen von Hochtemperatur-PEMs gehört schließlich auch, dass die Membran nicht aufwändig befeuchtet werden muss, da sie auch ohne Wasser Protonen leitet.

Die Schwierigkeit ist jedoch, eine Membran zu finden, die den hohen Temperaturen auch im Dauerbetrieb standhalten kann und gleichzeitig eine hohe Leitfähigkeit für Protonen ausweist. PEMEAS verwendet in seinen neuen MEAs das ursprünglich für die NASAasa entwickelte Polymer Polybenzimidazol (PBI). Als Faser wird der Kunststoff bisher in Feuerschutzanzügen verwendet. PEMEAS hat ein Verfahren entwickelt, aus diesem Material eine leistungsstarke und temperaturbeständige MEA für Brennstoffzellen herzustellen. Aus der Membran, den Katalysatoren und den Gasdiffusionslagen werden seit September 2002 in einer Pilotanlage in Frankfurt MEAs gefertigt.

Für die neue MEA namens Celtec-P Series 1000 gibt das Unternehmen eine Lebensdauer von mehr als 5.000 Betriebsstunden an. Die Leistungsdaten der MEA sollen während dieser Zeit nahezu konstant bleiben. Eingesetzt werden die Bauteile bereits in mobilen Kleinsystemen. So testet der Elektronikkonzern Motorola die MEAs in Brennstoffzellen, die einmal die Energie für Handys oder Camcorder liefern sollen. Diese werden mit flüssigem Methanol betrieben, das in einem Mikroreformer zu Wasserstoff und Kohlendioxid reformiert wird. Da hierbei auch Kohlenmonoxid entsteht, kann die gegenüber diesem Katalysatorgift weitgehend unempfindliche Hochtemperatur-Brennstoffzelle ihre Vorteile besonders gut ausspielen.

Auch in stationären Systemen des amerikanischen Brennstoffzellen-Herstellers Plug Power laufen die Hochtemperatur-MEAs bereits, berichtet Carsten Henschel, bei PEMEAS für die Kommunikation zuständig. Membrane und MEAs für Brennstoffzellensysteme in Autos seien bereits in der Entwicklung, doch sei in diesem Bereich noch mehr Forschungsarbeit nötig, um die hohen Anforderungen des Alltagsbetriebes zu erfüllen.