Hva er en Proton Exchange Membrane Fuel Cell?
En protonbyttermembranbrenselcelle (PEMFC) er en brenselcelle som bruker hydrogen og oksygen for å frigjøre elektrisk energi. Dets kjennetegn er en elektrolyttmembran som kalles en membranelektrodeenhet (MEA) som gjør det mulig å passere protoner, men ikke elektroner. En protonbyttermembranbrenselcelle har potensielle anvendelser som både en stasjonær og bærbar brenselcelle.
En MEA har en anodeside og en katodeside. En elektrisk strøm strømmer inn i MEAs anodeside og ut av katodesiden. En protonbyttermembranbrenselcelle leverer hydrogengass til MEAs anodeside, som deler hydrogenatomene i elektroner og protoner, en prosess som kan vises med en ligning: H2 -> 2e- + 2H +. Protonene i denne reaksjonen beveger seg gjennom MEA til katodesiden, og elektronene går til MEAs katodeside gjennom en ekstern krets. Kombinasjonen av disse prosessene skaper en elektrisk strøm.
En protonbyttermembranbrenselcelle leverer også oksygengass til MEAs katodeside. Hvis molekylene av diatomisk oksygen (O2) kan deles opp i oksygenatomer, kan protonene som reiser gjennom MEA, reagere med disse oksygenatomene for å danne vannmolekyler. Denne reaksjonen kan også vises ved en ligning: O + 2H + + 2e- -> H20.
MEA må oppfylle flere kriterier for å produsere strøm. Det kan ikke tillate hydrogen eller oksygengass å reise gjennom den. MEA må også kunne motstå den oksidative effekten på anodesiden og den reduserende effekten på katodesiden.
Platinkatalysatorer kan brukes til å dele hydrogemolekyler med relativt enkelhet. Splitting av oksygenmolekyler med platinkatalysatorer gir imidlertid betydelige elektriske tap. Et ytterligere problem med platinakatalysatorer er at en veldig liten mengde karbondioksid betydelig reduserer ytelsen. Forskere hadde ikke oppdaget en praktisk katalysator for å splitte oksygenmolekyler fra 2010, men en katalysator sammensatt av karbon, jern og nitrogen hadde vist det mest løfte. Den primære vanskeligheten med denne katalysatoren er at reaksjonshastigheten synker raskt over en kort periode.
Vann forårsaker også elektriske tap i en protonbyttermembranbrenselcelle. Brenselcellen må forhindre at overflødig vann oversvømmer MEA, men la nok vann til at MEA ikke tørker ut. Vannbehandling i en protonbyttermembranbrenselcelle er vanskelig fordi vannet tiltrekkes til katodesiden av MEA. Elektro-osmotiske pumper er en mulig løsning på dette problemet.