Die Membran-Elektroden-Einheit, auch als MEA (Membrane Electrode Assembly) bekannt, ist das elektrochemische Herzstück von PEM-Brennstoffzellen und vielen Elektrolyseur-Typen. Sie besteht aus einer protonenleitenden Membran, die beidseitig mit Katalysatorschichten und Gasdiffusionslagen versehen ist.
Die MEA bestimmt maßgeblich die Leistung, Effizienz und Lebensdauer von PEM-Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Ihre Funktion richtet sich nach dem jeweiligen Einsatzgebiet: In Elektrolyseuren ermöglicht sie die Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, in Brennstoffzellen findet in der MEA die Umwandlung von Wasserstoff zu Strom und Wärme statt.
Wer nutzt MEA?
MEA sind zwar ein charakteristisches Merkmal von PEM-Technologien (Proton Exchange Membrane), werden aber auch in anderen Typen von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen verwendet. Hier ein Überblick der wichtigsten Varianten:
- PEM-Elektrolyseure und PEM-Brennstoffzellen: Bei diesen Technologien sind MEAs am bekanntesten und am weitesten verbreitet.
- Anionen-Austausch-Membran (AEM)-Elektrolyseure und Brennstoffzellen: Diese verwenden ebenfalls MEAs, aber mit einer Membran, die Hydroxid-Ionen statt Protonen leitet.
- Festoxid-Elektrolyseure (SOEC) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC): Hier wird oft von MEAs gesprochen, obwohl der Aufbau etwas anders ist. Die „Membran” ist hier ein fester Elektrolyt, meist aus Keramik.
- Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC): Diese verwenden MEAs, die speziell für die Verwendung von Methanol als Brennstoff optimiert sind.
Bei alkalischen Elektrolyseuren (AEL), die zu den ältesten und am weitesten verbreiteten Elektrolyseurtechnologien gehören, werden traditionell keine MEAs im engeren Sinne verwendet. Stattdessen nutzen sie einen flüssigen Elektrolyten und getrennte Elektroden. Allerdings gibt es auch hier Entwicklungen in Richtung MEA-ähnlicher Strukturen, um die Effizienz zu verbessern.
Aufbau
Der genaue Aufbau und die Materialien von MEAs können je nach Technologie variieren. Der grundlegende Zweck – die räumliche Organisation der elektrochemischen Reaktionen – bleibt jedoch in allen Fällen gleich. Diese Vielfalt erlaubt es Herstellern, die beste Konfiguration für die jeweilige Anwendung zu wählen, sei es für kostengünstige Lösungen mit geringem Leistungsbedarf, für Standardanwendungen mit ausgewogenem Leistungs-Kosten-Verhältnis oder für Hochleistungsanwendungen, die maximale Effizienz und Langlebigkeit erfordern.
- Protonenleitende Membran (PEM): Eine dünne Polymerfolie im Zentrum der MEA, die Anode von Kathode trennt. Sie lässt Protonen hindurch, blockiert aber Elektronen und Gase. Meist aus Nafion® oder anderen Polymeren.
- Katalysatorschichten: Fein verteilte Edelmetallpartikel (oft Platin oder Iridium-Legierungen) auf beiden Seiten der Membran. Sie bilden als Anode bzw. Kathode den aktiven Teil der Elektrode. Hier findet die elektrochemische Reaktion statt
- Subgaskets: Dienen als Dichtung und geben strukturelle Stabilität.
- Gas-Diffusions-Lagen (GDL): Poröse, elektrisch leitfähige Schichten, oft aus Kohlenstofftuch (Carbon Cloth) oder Kohlenstofffaserpapier (Carbon Fiber Paper). Die GDL bildet das “Rückgrat” der Elektrode und hat mehrere wichtige Funktionen wie die gleichmäßige Gasverteilung bzw. den Gas-Transport, die Wasserabfuhr und elektrische Leitfähigkeit. Sorgen für gleichmäßige Gasverteilung und Wasserabfuhr
Funktionsweise
In der MEA eines Elektrolyseurs findet die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff statt. Wenn elektrischer Strom durch die MEA fließt, wird an der Anodenseite Wasser in Sauerstoff, Protonen (Wasserstoffionen) und Elektronen aufgespalten. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathodenseite, während die Elektronen über einen externen Stromkreis fließen. An der Kathode verbinden sich die Protonen mit den Elektronen und bilden Wasserstoffgas. Der Katalysator auf beiden Seiten der Membran beschleunigt diese Reaktionen. Das Ergebnis sind reiner Sauerstoff auf der einen und reiner Wasserstoff auf der anderen Seite der MEA.
- Anode: 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻
- Kathode: 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂
- Gesamtreaktion: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂
- Anode: 2 H₂ → 4 H⁺ + 4 e⁻
- Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4 e⁻ → 2 H₂O
- Gesamtreaktion: 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
MEA-Produktion bei Hydrogenea in Bochum (© Hydrogenea)
Produktion
Die Produktion einer MEA ist ein hochkomplexer Prozess, der höchste Präzision erfordert. Grundsätzlich lässt sich zwischen einer manuellen Sheet-to-Sheet- und einer automatisierten Rolle-zu-Rolle (R2R)-Produktion unterscheiden. Hier ein Überblick der wichtigsten Schritte:
- Herstellung der PEM aus einem Polymer.
- Beschichtung mit Katalysator mittels verschiedener Verfahren (Schlitzdüsenbeschichtung, Siebdruck, Tintenstrahldruck)
- Trocknung der aufgebrachten Katalysatorschichten durch Konvektionstrockner, Infrarottrockner oder Laser.
- Aufbringen der Subgaskets durch Heißpressen.
- Hinzufügen der GDL, ebenfalls durch Pressen oder Kleben aufgebracht.
- Konfektionierung/Zuschnitt der MEA auf die richtige Größe, meist mit Laser- oder mechanischen Schneideverfahren.
Je nach Herstellungsmethode kann die Katalysatorschicht direkt auf die Membran aufgebracht werden (CCM – Catalyst Coated Membrane) oder auf die GDL (CCG – Catalyst Coated GDL). In beiden Fällen bildet die Kombination aus Katalysatorschicht und GDL die vollständige Elektrode
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