Что такое протонообменная мембранная топливная ячейка?

Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC) - это топливный элемент, который использует водород и кислород для выделения электрической энергии. Его отличительной особенностью является электролитическая мембрана, называемая мембранной электродной сборкой (MEA), которая позволяет проходить протонам, но не электронам. Топливный элемент с протонообменной мембраной имеет потенциальное применение как в качестве стационарного, так и переносного топливного элемента.

MEA имеет сторону анода и сторону катода. Электрический ток течет в сторону анода MEA и из его стороны катода. Топливный элемент с протонообменной мембраной доставляет газообразный водород к стороне анода MEA, который расщепляет атомы водорода на электроны и протоны, процесс, который можно показать уравнением: H2 -> 2e- + 2H +. Протоны в этой реакции проходят через МЭА на его катодную сторону, а электроны проходят на МЭД-катодную сторону через внешнюю цепь. Сочетание этих процессов создает электрический ток.

Топливный элемент с протонообменной мембраной также доставляет газообразный кислород к катодной стороне MEA. Если молекулы двухатомного кислорода (O2) можно разделить на атомы кислорода, протоны, проходящие через МЭА, могут реагировать с этими атомами кислорода с образованием молекул воды. Эта реакция также может быть показана уравнением: O + 2H + + 2e- -> H ₂ O.

МЭС должен соответствовать нескольким критериям для производства электроэнергии. Он не может позволить газу водорода или кислорода проходить через него. МЭА также должен быть способен противостоять окислительному воздействию на стороне анода и уменьшающему воздействию на стороне катода.

Платиновые катализаторы могут быть использованы для расщепления молекул водорода с относительной легкостью. Однако расщепление молекул кислорода платиновыми катализаторами приводит к значительным электрическим потерям. Дополнительная проблема с платиновыми катализаторами заключается в том, что очень небольшое количество углекислого газа значительно ухудшит их характеристики. Ученые не обнаружили практического катализатора расщепления молекул кислорода по состоянию на 2010 год, но катализатор, состоящий из углерода, железа и азота, показал наибольшую перспективу. Основная трудность с этим катализатором заключается в том, что скорость его реакции быстро падает в течение короткого периода времени.

Вода также вызывает электрические потери в топливном элементе с протонообменной мембраной. Топливный элемент должен предотвращать избыток воды от затопления MEA, но достаточное количество воды для предотвращения высыхания MEA. Управление водой в топливном элементе с протонообменной мембраной затруднено, потому что вода притягивается к катодной стороне MEA. Электроосмотические насосы являются одним из возможных решений этой проблемы.