Che cos'è una cella a combustibile a membrana a scambio protonico?
Una cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) è una cella a combustibile che utilizza idrogeno e ossigeno per liberare energia elettrica. La sua caratteristica distintiva è una membrana elettrolitica chiamata un gruppo elettrodo a membrana (MEA) che consente il passaggio di protoni ma non di elettroni. Una cella a combustibile a membrana a scambio protonico ha potenziali applicazioni come cella a combustibile sia fissa che portatile.
Un MEA ha un lato anodo e un lato catodo. Una corrente elettrica fluisce nel lato dell'anodo del MEA e fuori dal suo lato del catodo. Una cella a combustibile con membrana a scambio protonico eroga gas idrogeno sul lato anodico del MEA, che divide gli atomi di idrogeno in elettroni e protoni, un processo che può essere mostrato da un'equazione: H2 -> 2e- + 2H +. I protoni in questa reazione viaggiano attraverso il MEA verso il suo lato catodico e gli elettroni passano verso il lato del catodo del MEA attraverso un circuito esterno. La combinazione di questi processi crea una corrente elettrica.
Una cella a combustibile a membrana a scambio protonico eroga anche ossigeno gassoso sul lato catodico del MEA. Se le molecole di ossigeno biatomico (O2) possono essere suddivise in atomi di ossigeno, i protoni che viaggiano attraverso il MEA possono reagire con questi atomi di ossigeno per formare molecole di acqua. Questa reazione può anche essere mostrata da un'equazione: O + 2H + + 2e- -> H 2 O.
Il MEA deve soddisfare diversi criteri per produrre elettricità. Non può permettere all'idrogeno o al gas ossigeno di attraversarlo. Il MEA deve anche essere in grado di resistere all'effetto ossidativo sul lato dell'anodo e all'effetto riducente sul lato del catodo.
I catalizzatori al platino possono essere usati per dividere le molecole di idrogeno con relativa facilità. La scissione delle molecole di ossigeno con catalizzatori al platino, tuttavia, produce significative perdite elettriche. Un ulteriore problema con i catalizzatori al platino è che una quantità molto piccola di anidride carbonica ne ridurrà significativamente le prestazioni. Gli scienziati non avevano scoperto un catalizzatore pratico per la scissione delle molecole di ossigeno a partire dal 2010, ma un catalizzatore composto da carbonio, ferro e azoto aveva mostrato le migliori promesse. La principale difficoltà con questo catalizzatore è che la sua velocità di reazione diminuisce rapidamente per un breve periodo di tempo.
L'acqua provoca anche perdite elettriche in una cella a combustibile con membrana a scambio protonico. La cella a combustibile deve impedire all'acqua in eccesso di allagare il MEA, ma deve consentire abbastanza acqua per evitare che il MEA si secchi. La gestione dell'acqua in una cella a combustibile a membrana a scambio protonico è difficile, poiché l'acqua è attratta dal lato catodico del MEA. Le pompe elettro osmotiche sono una possibile soluzione a questo problema.