O que é uma célula de combustível de membrana de troca de prótons?

Uma célula de combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) é uma célula de combustível que usa hidrogênio e oxigênio para liberar energia elétrica. Sua característica distintiva é uma membrana eletrolítica chamada de conjunto de eletrodos de membrana (MEA) que permite a passagem de prótons, mas não de elétrons. Uma célula de combustível de membrana de troca de prótons tem aplicações potenciais como célula de combustível estacionária e portátil.

Um MEA tem um lado do ânodo e um lado do cátodo. Uma corrente elétrica flui para o lado do ânodo do MEA e para fora do lado do cátodo. Uma célula de combustível de membrana de troca de prótons fornece gás hidrogênio ao lado do ânodo do MEA, que divide os átomos de hidrogênio em elétrons e prótons, um processo que pode ser mostrado por uma equação: H2 -> 2e- + 2H +. Os prótons nessa reação viajam através do MEA para o lado do cátodo, e os elétrons passam para o lado do cátodo do MEA através de um circuito externo. A combinação desses processos cria uma corrente elétrica.

Uma célula de combustível de membrana de troca de prótons também fornece gás oxigênio para o lado do cátodo do MEA. Se as moléculas de oxigênio diatômico (O2) puderem ser divididas em átomos de oxigênio, os prótons que viajam pelo MEA podem reagir com esses átomos de oxigênio para formar moléculas de água. Essa reação também pode ser demonstrada por uma equação: O + 2H + + 2e- -> H2O.

O MEA deve atender a vários critérios para produzir eletricidade. Não pode permitir que o gás hidrogênio ou oxigênio viaje através dele. O MEA também deve ser capaz de resistir ao efeito oxidativo no lado do ânodo e ao efeito redutor no lado do cátodo.

Os catalisadores de platina podem ser usados ​​para dividir moléculas de hidrogênio com relativa facilidade. A divisão de moléculas de oxigênio com catalisadores de platina, no entanto, produz perdas elétricas significativas. Um problema adicional com catalisadores de platina é que uma quantidade muito pequena de dióxido de carbono prejudicará significativamente seu desempenho. Os cientistas não descobriram um catalisador prático para a divisão de moléculas de oxigênio a partir de 2010, mas um catalisador composto de carbono, ferro e nitrogênio mostrou a maior promessa. A principal dificuldade desse catalisador é que sua taxa de reação cai rapidamente por um curto período de tempo.

A água também causa perdas elétricas em uma célula de combustível de membrana de troca de prótons. A célula de combustível deve impedir que o excesso de água inunde o MEA, mas permita água suficiente para impedir que o MEA seque. O gerenciamento da água em uma célula a combustível de membrana de troca de prótons é difícil, porque a água é atraída para o lado do cátodo do MEA. As bombas eletro-osmóticas são uma solução possível para esse problema.