Wat is een protonuitwisselingsmembraanbrandstofcel?
Een protonuitwisselingsmembraanbrandstofcel (PEMFC) is een brandstofcel die waterstof en zuurstof gebruikt om elektrische energie vrij te maken. Het onderscheidende kenmerk is een elektrolytmembraan genaamd een membraan-elektrode-assemblage (MEA) die de doorgang van protonen mogelijk maakt, maar niet van elektronen. Een brandstofcel met een protonenuitwisselingsmembraan heeft potentiële toepassingen als zowel een stationaire als een draagbare brandstofcel.
Een MEA heeft een anodezijde en een kathodezijde. Een elektrische stroom vloeit in de anodezijde van de MEA en uit de kathodezijde ervan. Een protonuitwisselingsmembraanbrandstofcel levert waterstofgas aan de anodekant van de MEA, die de waterstofatomen splitst in elektronen en protonen, een proces dat kan worden aangetoond met een vergelijking: H2 -> 2e- + 2H +. De protonen in deze reactie reizen door de MEA naar zijn kathodekant en de elektronen gaan naar de kathodekant van de MEA via een extern circuit. De combinatie van deze processen zorgt voor een elektrische stroom.
Een brandstofcel met een protonenuitwisselingsmembraan levert ook zuurstofgas aan de kathodekant van de MEA. Als de moleculen van diatomaire zuurstof (O2) kunnen worden gesplitst in zuurstofatomen, kunnen de protonen die door de MEA reizen met deze zuurstofatomen reageren om watermoleculen te vormen. Deze reactie kan ook worden weergegeven door een vergelijking: O + 2H + + 2e- -> H 2 O.
De MEA moet aan verschillende criteria voldoen om elektriciteit te produceren. Het kan geen waterstof of zuurstofgas doorlaten. De MEA moet ook bestand zijn tegen het oxidatieve effect op de anodezijde en het reducerende effect op de kathodezijde.
Platinakatalysatoren kunnen worden gebruikt om relatief eenvoudig waterstofmoleculen te splitsen. Het splitsen van zuurstofmoleculen met platinakatalysatoren veroorzaakt echter aanzienlijke elektrische verliezen. Een bijkomend probleem met platinakatalysatoren is dat een zeer kleine hoeveelheid kooldioxide hun prestaties aanzienlijk zal verslechteren. Wetenschappers hadden vanaf 2010 geen praktische katalysator voor het splitsen van zuurstofmoleculen ontdekt, maar een katalysator bestaande uit koolstof, ijzer en stikstof had de meeste belofte getoond. De primaire moeilijkheid met deze katalysator is dat zijn reactiesnelheid snel daalt gedurende een korte tijdsperiode.
Water veroorzaakt ook elektrische verliezen in een brandstofcel met een protonenuitwisselingsmembraan. De brandstofcel moet voorkomen dat overtollig water de MEA overstroomt, maar moet voldoende water toelaten om te voorkomen dat de MEA uitdroogt. Waterbeheer in een brandstofcel met een protonenuitwisselingsmembraan is moeilijk, omdat het water wordt aangetrokken door de kathodekant van de MEA. Elektro-osmotische pompen zijn een mogelijke oplossing voor dit probleem.