Protonenaustauschmembranen

Protonenaustauschmembranen (PEM) sind ionenleitende Materialien, die im Wesentlichen Protonen (H⁺-Ionen) zwischen zwei elektrochemischen Halbzellen transportieren. Sie werden häufig in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und anderen elektrochemischen Anwendungen eingesetzt, um einen effizienten Ionenfluss bei gleichzeitigem Verhindern des Durchtritts von Elektronen und Gasmischungen zu ermöglichen.

Die typische Struktur einer PEM besteht aus einem Polymeren, meist Perfluoroalkylsulfonat (PFSA), das aus einem fluorierten Polyethylenoxidenetzwerk und eingebetteten sulfonatgruppen besteht. Die sulfonatgruppen dienen als Mobilisationselemente für die Protonen, während das fluorierte Netz die mechanische Stabilität und die Wechselwirkung mit Wasser gewährleistet. Häufig komplementiert ein charakteristisches Wasserstoff- oder Hydroniumion das PFSA, wodurch die Protonenleitung maximiert wird.

Ein wichtiger Parameter für die Leistung einer PEM ist die Protonenleitfähigkeit, die stark von der Feuchtigkeitszahl abhängt. In trockenen Bedingungen sinkt die Leitfähigkeit, während übermäßige Feuchte die mechanische Integrität beeinträchtigen kann. Deshalb werden PEMs oft mit unterstützendem zwischenhydratierenden Gel- oder Polymerkern kombiniert, die die Wasserhaltbarkeit verbessern und die Stabilität erhöhen.

Die Durchschnittliche Lebensdauer eines PEM in einer PEM-Brennstoffzelle liegt typischerweise zwischen 3000 und 5000 Stunden, abhängig von Betriebstemperatur, Hydratation, Druck und Einsatzbedingungen. Primäre Degradationseinflüsse sind Oxidation, mechanischer Stress und Wasserverlust. Durch das Design von Tarnmembranen, wie zum Beispiel Protonenaustauschmembranen mit aromatischen oder keramischen Füllstoffen, kann die Lebensdauer weiter gesteigert werden.

Weitere Anwendungen von Protonenaustauschmembranen ergeben sich in elektrochemischen Sondersystemen, z. B. in elektrochemischen Synthesen, in der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse und in umweltfreundlichen Fahrzeugantrieben. Sie spielen somit eine zentrale Rolle in der nachhaltigen Energieinfrastruktur.