Co to jest ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów?

Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC) to ogniwo paliwowe, które wykorzystuje wodór i tlen do uwolnienia energii elektrycznej. Jego cechą wyróżniającą jest membrana elektrolityczna zwana zespołem elektrody membranowej (MEA), która umożliwia przepływ protonów, ale nie elektronów. Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów ma potencjalne zastosowanie zarówno jako stacjonarne, jak i przenośne ogniwo paliwowe.

MEA ma stronę anodową i stronę katodową. Prąd elektryczny wpływa do strony anody MEA i od strony katody. Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów dostarcza gazowy wodór do strony anody MEA, która dzieli atomy wodoru na elektrony i protony, proces, który można wykazać równaniem: H2 -> 2e- + 2H +. Protony w tej reakcji przemieszczają się przez MEA na stronę katody, a elektrony przechodzą na stronę katody MEA przez obwód zewnętrzny. Połączenie tych procesów wytwarza prąd elektryczny.

Ogniwo paliwowe z membraną wymiany protonów dostarcza również gazowy tlen do strony katody MEA. Jeśli cząsteczki tlenu okrzemkowego (O2) można podzielić na atomy tlenu, protony podróżujące przez MEA mogą reagować z tymi atomami tlenu, tworząc cząsteczki wody. Tę reakcję można również wykazać równaniem: O + 2H + + 2e- -> H ₂ O.

MEA musi spełniać kilka kryteriów, aby wytwarzać energię elektryczną. Nie może przepuszczać wodoru ani tlenu. MEA musi także być w stanie oprzeć się efektowi utleniającemu po stronie anody i działaniu redukującemu po stronie katody.

Katalizatory platynowe można stosować do względnego łatwego rozdzielania cząsteczek wodoru. Rozszczepienie cząsteczek tlenu katalizatorami platynowymi powoduje jednak znaczne straty elektryczne. Dodatkowym problemem związanym z katalizatorami platynowymi jest to, że bardzo mała ilość dwutlenku węgla znacznie obniży ich działanie. Naukowcy nie odkryli praktycznego katalizatora do dzielenia cząsteczek tlenu od 2010 r., Ale katalizator złożony z węgla, żelaza i azotu okazał się najbardziej obiecujący. Podstawową trudnością związaną z tym katalizatorem jest to, że jego szybkość reakcji szybko spada w krótkim okresie czasu.

Woda powoduje również straty elektryczne w ogniwie paliwowym z membraną wymiany protonów. Ogniwo paliwowe musi zapobiegać zalewaniu MEA przez nadmiar wody, ale musi zapewniać wystarczającą ilość wody, aby MEA nie wyschło. Zarządzanie wodą w ogniwie paliwowym z membraną wymiany protonów jest trudne, ponieważ woda jest przyciągana do strony katody MEA. Pompy elektro-osmotyczne są jednym z możliwych rozwiązań tego problemu.