Proton-utvekslingsmembran
En proton-utvekslingsmembran, eller polymerelektrolyttmembran (PEM), er en semipermeabel membran som vanligvis er laget av ionomerer og designet for å lede protoner mens den fungerer som en elektronisk isolator og reaktantsperre, f.eks. til oksygen og hydrogengass.[1] Dette er deres vesentlige funksjon når den er innlemmet i en membranelektrodesamling (MEA) av en protonutvekslingsmembranbrenselcelle eller av en protonutvekslingsmembranelektrolysator: separasjon av reaktanter og transport av protoner mens de blokkerer en direkte elektronisk vei gjennom membranen.
PEM kan fremstilles av enten rene polymermembraner eller fra komposittmembraner, der andre materialer er innebygd i en polymermatrise. Et av de vanligste og kommersielt tilgjengelige PEM-materialene er fluorpolymeren (PFSA)[2] Nafion, et DuPont-produkt.[3] Mens Nafion er en ionomer med en perfluorert ryggrad som Teflon,[4] er det mange andre strukturelle motiver som brukes til å lage ionomerer for protonbyttermembraner. Mange bruker polyaromatiske polymerer, mens andre bruker delvis fluorerte polymerer.
Protonutvekslingsmembraner er primært preget av protonkonduktivitet (σ), metanol-permeabilitet (P) og termisk stabilitet.[5]
PEM-brenselceller bruker en solid polymermembran (en tynn plastfilm) som elektrolytt. Denne polymeren er gjennomtrengelig for protoner når den er mettet med vann, men den leder ikke elektroner.
Historie
Tidlig proton-utvekslingsmembran teknologi ble utviklet på begynnelsen av 1960-tallet av Leonard Niedrach og Thomas Grubb, kjemikere som jobber for General Electric.[6] Betydelige offentlige ressurser ble viet til studier og utvikling av disse membranene for bruk i NASAs prosjekt Gemini.[7] En rekke tekniske problemer førte til at NASA ga avkall på bruk av proton-utvekslingsmembranbrenselceller til fordel for batterier som gir lavere kapasitet, men mer pålitelig alternativ for Gemini-oppdrag 1-4.[8] En forbedret generasjon av General Electrics PEM-brenselcelle ble brukt i alle påfølgende Gemini-oppdrag, men ble forlatt for de påfølgende Apollo-ekspedisjonene.[9] Den fluorerte ionomeren Nafion, som i dag er det mest brukte proton-utvekslingsmembranmaterialet, ble utviklet av DuPont plastkjemiker Walther Grot. Grot demonstrerte også dens nytte som en elektrokjemisk skillemembran.[10]
I 2014 publiserte Andre Geim ved University of Manchester første resultater på atomtykk monolag av grafen og bornitrid som bare tillot protoner å passere gjennom materialet, noe som gjorde dem til en potensiell erstatning for fluorerte ionomerer som et PEM-materiale.[11][12]
Brenselcelle
PEM-brenselceller har noen fordeler i forhold til andre typer brenselceller som fast oksid brenselceller (SOFC). PEMFC-er fungerer ved en lavere temperatur, er lettere og mer kompakte, noe som gjør dem ideelle for applikasjoner som biler. Noen ulemper er imidlertid: driftstemperaturen ~ 80 °C er for lav for kraftvarmeproduksjon som i SOFC, og at elektrolytten for PEMFC-er må være vannmettet. Imidlertid fungerer noen drivstoffcellebiler, inkludert Toyota Mirai, uten luftfukter, avhengig av rask vannproduksjon og den høye hastigheten av tilbakespredning gjennom tynne membraner for å opprettholde hydrering av membranen, samt ionomeren i katalysatorlagene.
PEMFC-er med høy temperatur opererer mellom 100 °C og 200 °C, noe som potensielt gir fordeler innen elektrodekinetikk og varmestyring, og bedre toleranse for drivstoffurenheter, spesielt CO i reformat. Disse forbedringene kan potensielt føre til høyere samlede systemeffektiviteter. Imidlertid har disse gevinstene ennå ikke blitt realisert, da gullstandard perfluorerte sulfonsyre (PFSA) membraner mister funksjonen raskt ved 100 °C og over hvis hydrering faller under ~ 100%, og begynner å krype i dette temperaturområdet, noe som resulterer i lokalisert tynning og generelt lavere systemlevetid. Som et resultat studeres nye vannfrie protonledere, slik som protiske organiske ioniske plastkrystaller (POIPCs) og protiske ioniske væsker, aktivt for utvikling av egnede PEM.[13][14][15]
Drivstoffet til PEMFC er hydrogen, og ladningsbæreren er hydrogenionet (proton). Ved anoden er hydrogenmolekylet delt i hydrogenioner (protoner) og elektroner. Hydrogenionene gjennomsyrer over elektrolytten til katoden, mens elektronene strømmer gjennom en ekstern krets og produserer elektrisk energi. Oksygen, vanligvis i form av luft, tilføres katoden og kombineres med elektronene og hydrogenionene for å produsere vann. Reaksjonene ved elektrodene er som følger:
Anode reaksjon:
Katode reaksjon:
Samlet cellereaksjon:
Det teoretiske eksoterme potensialet er totalt +1,23 V.