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Die Abkürzung "PEM" der beschriebenen Brennstoffzelle steht für die "Polymer-Elektrolyt-Membran" oder aber auch "Proton Exchange Membrane", welche eine wichtige Komponente der Brennstoffzelle darstellt. Diese Membran dient als Elektrolyt und trennt die Gase Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 voneinander, damit nicht unerwünscht die gefährliche Knallgasreaktion eintreten kann. Die Membran ist für Protonen durchlässig, so dass es nur den Protonen H+ gelingt, durch die Membran durchzudringen, jedoch nicht den verbleibenden Elektronen e- des ursprünglichen Wasserstoffs. Die Elektronen sind gezwungen, den Weg via Anode durch einen elektrischen Leiter zu nehmen. Es fliesst ein elektrischer Strom Richtung Kathode.
An der Kathode verbinden sich nun zwei Elektronen mit je einem Sauerstoffatom. Es gelangen je zwei Protonen zu jedem entstandenen O2- hinzu. Es handelt sich dabei um die Protonen, die inzwischen durch die Membran gewandert sind. Somit entsteht auf der Kathodenseite als Reaktionsprodukt reines Wasser. Die abgelaufene Reaktion ist eine kalte Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff.
Die Reaktionsgleichung der PEM Brennstoffzelle lautet:
Reaktion an der Anode:
Reaktion an der Kathode:
Gesamtreaktion:
Es handelt sich um die bekannte Knallgasreaktion, die stark exotherm abläuft. Pro mol entstehendem Wasser wird eine Energie von -572 kJ freigesetzt.
Da eine einzige Brennstoffzelle nur eine sehr geringe Leistung aufweist, schaltet man mehrere Zellen zusammen. Solche Stapel von Brennstoffzellen (auch "Stacks" genannt) sind vor allem für die Autoindustrie von Bedeutung, da vor allem leistungsstarke Elektromotoren in zukünftigen Automobilen eingebaut werden. Bei einem bipolaren Stapelaufbau stehen Einzelzellen jeweils durch eine gemeinsame Bipolarplatte miteinander in elektrischem Kontakt. Die Bipolarplatte führt auf der einen Seite das Brenngas und auf der anderen Seite Luft oder Sauerstoff zu den jeweiligen Elektroden. Der Name Bipolarplatte stammt von folgendem Sachverhalt: Minuspol an der Anodenseite (Wasserstoff) und Pluspol an der Kathodenseite (Sauerstoff). Die Summe der einzelnen Zellspannungen nennt man Stackspannung. Diese wird durch Stromabnehmer am Anfang und am Ende des Zellstapels abgeführt. Die Bipolarplatten machen zirka 80% des gesamten Stapelgewichts aus. Sie sind auch für die Wärme- und Wasserabführung verantwortlich. Das Abführen von Wasser und Wärme wird durch so genannte "Flowfields", die in der Bipolarplatte eingefräst sind, erreicht. Die auf der Wasserstoffseite entstandenen Elektronen werden durch die Platte auf die Sauerstoffseite geleitet .
Das so genannte "PowerPac", welches vom Paul Scherrer Institut in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich entwickelt wurde, ist auch bipolar aufgebaut. Es hat nur eine Grösse von einer Reisetasche und besteht aus 42 gestapelten Brennstoffzellen. Das PowerPac erreicht bei Dauerbetrieb eine elektrische Leistung von knapp 1 kW. Ungefähr 15% der produzierten Energie wird vom PowerPac selber verbraucht (Kühlung, Elektronik, etc.). Diese Einzelanfertigung kostet pro kW Leistung 30\'000 Franken!
Es gibt aber auch monopolare Stapel. Bei diesen sind die einzelnen Zellen jeweils von einem Isolator getrennt und der Strom, welche jede Zelle produziert, wird einzeln mit einem Leiter abgeführt.
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