Vad är en Proton Exchange Membrane Fuel Cell?

En protonbytarmembranbränslecell (PEMFC) är en bränslecell som använder väte och syre för att frigöra elektrisk energi. Dess kännetecken är ett elektrolytmembran som kallas ett membranelektrodaggregat (MEA) som gör det möjligt att passera protoner men inte elektroner. En protonbytarmembranbränslecell har potentiella applikationer som både en stationär och bärbar bränslecell.

En MEA har en anodesida och en katodesida. En elektrisk ström flyter in i MEA: s anodsida och ut från dess katodesida. En protonbytarmembranbränslecell levererar vätgas till MEA: s anodesida, som delar väteatomerna i elektroner och protoner, en process som kan visas med en ekvation: H2 -> 2e- + 2H +. Protonerna i denna reaktion rör sig genom MEA till dess katodesida och elektronerna passerar till MEAs katodesida genom en extern krets. Kombinationen av dessa processer skapar en elektrisk ström.

En protonbytarmembranbränslecell levererar också syrgas till MEA: s katodesida. Om molekylerna av diatomiskt syre (O2) kan delas upp i syreatomer kan protonerna som reser genom MEA reagera med dessa syreatomer för att bilda vattenmolekyler. Denna reaktion kan också visas med en ekvation: O + 2H + + 2e- -> H20.

MEA måste uppfylla flera kriterier för att producera el. Det kan inte tillåta väte eller syregas att resa genom det. MEA måste också kunna motstå den oxidativa effekten på anodesidan och den reducerande effekten på katodesidan.

Platinkatalysatorer kan användas för att dela vätemolekyler med relativt enkelhet. Splitsning av syremolekyler med platinkatalysatorer ger emellertid betydande elektriska förluster. Ett ytterligare problem med platinkatalysatorer är att en mycket liten mängd koldioxid kommer att avsevärt försämra deras prestanda. Forskare hade inte upptäckt en praktisk katalysator för splittring av syremolekyler från och med 2010, men en katalysator bestående av kol, järn och kväve hade visat det mest löfte. Den primära svårigheten med denna katalysator är att dess reaktionshastighet sjunker snabbt under en kort tidsperiod.

Vatten orsakar också elektriska förluster i en protonbytarmembranbränslecell. Bränslecellen måste förhindra överskott av vatten från att översvämma MEA men låta tillräckligt med vatten för att hindra MEA från att torka ut. Vattenhantering i en protonbytarmembranbränslecell är svårt, eftersom vattnet dras till katodsidan av MEA. Elektro-osmotiska pumpar är en möjlig lösning på detta problem.