Man bezeichnet diese Brennstoffzellen kurz mit PEM-FC (abgek. engl. polymer electrolyte membrane fuel cells). Die Reaktionsräume werden durch eine Kationenaustauscher-Membran getrennt, die nur für Protonen durchlässig ist. Die Membran spielt also die Rolle des Elektrolyten. Diese Membranbrennstoffzellen werden vor allem in den Autos genutzt.
Als Membran verwendet man sulfonierte Fluorkohlenwasserstoffpolymere (teflonartig, bekannt z. B. als Nafion^(R)-Membran). Sie sind nur wenige zehntel Millimeter dick.
Eine Untereinheit besteht aus einer Membran, die beiderseitig mit Platin als Katalysator beschichtet ist. Auf jeder Seite ist eine gasdurchlässige Elektrode angebracht, die mit dem Platin Kontakt hat.

PEM-Brennstoffzelle

Auf der Anodenseite wird Wasserstoff eingeleitet. Dieser bekommt Kontakt mit dem Platin und gibt Elektronen an die Elektrode ab.

H₂ ———> 2 H⁺ + 2 e^-

Die dabei entstandenen Protonen wandern durch die Kationenaustauscher-Membran in Richtung Kathode. Die Elektronen wandern durch den äußeren Stromleiter zum elektrischen Verbraucher und werden dann zur Kathode weitergereicht. Dort reduzieren sie den eingeleiteten Sauerstoff, der simultan samt Protonen zu Wasser reagiert:

½ O₂ + 2 e^- + 2 H⁺ ———> H₂O

Das Wasser wird mit der nicht verbrauchten Luft als Wasserdampf ausgestoßen. Dies wird durch die hohe Betriebstemperatur von 90 °C gefördert.

Die Wirkungsgrade dieser Zellen liegen zwischen 50 und 80 %.

Nachteil ist, dass man zur Mitführung der Gase Sauerstoff und Wasserstoff im Auto eine ausgefeilte Kühl- und Druck-Technik entwickeln muss.
Statt mit Sauerstoff kann man aber mit Luft arbeiten. Dann ist allerdings ein höherer Betriebsdruck (2 bis 5 bar) nötig, technisch kein Problem.
Statt mit Wasserstoff betreibt man die Brennstoffzellen-Aggregate mit Methanol oder Methan, die leichter zu speichern sind. In diesen Fällen müssen diese Verbindungen aber erst zur Bildung von Wasserstoff umgewandelt werden. Dazu werden berechnete Mengen des Brennstoffs zusammen mit Wasser erhitzt und über einen Katalysator, den Reformer, geleitet.

CH₃OH + H₂O ———> CO₂ + 3 H₂

Neben Wasserstoff und CO₂ entsteht auch CO, das den Katalysator der Brennstoffzelle, Platin, vergiftet. Deshalb muss das CO zuvor entfernt werden. Dies geschieht mit Hilfe von katalytischer Reduktion von CO zu Methanol, selektive CO-Oxidation oder Membrantrennverfahren, die für Gasmischungen zunehmend entwickelt werden.

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