Bir proton değişim membranı yakıt hücresi (PEMFC), elektrik enerjisini serbest bırakmak için hidrojen ve oksijen kullanan bir yakıt hücresidir. Ayırt edici özelliği, protonların geçişine izin veren ancak elektron geçişine izin vermeyen bir membran elektrot düzeneği (MEA) adı verilen bir elektrolit membrandır. Proton değişim membranlı yakıt hücresi, hem sabit hem de taşınabilir bir yakıt hücresi olarak potansiyel uygulamalara sahiptir.
Bir MEA'nın bir anot tarafı ve bir katod tarafı vardır. Bir elektrik akımı MEA'nın anot tarafına ve katod tarafından dışarı akar. Bir proton değişim membranı yakıt hücresi, MEA'nın anot tarafına hidrojen gazı verir, bu da hidrojen atomlarını elektronlara ve protonlara bölen bir denklemle ayrılır: H2 -> 2e + 2H +. Bu reaksiyondaki protonlar MEA'dan katod tarafına geçer ve elektronlar, MEA'nın katod tarafına harici bir devre yoluyla geçer. Bu işlemlerin kombinasyonu bir elektrik akımı oluşturur.
Bir proton değişim membranlı yakıt hücresi ayrıca MEA'nın katod tarafına oksijen gazı verir. İki atomlu oksijen molekülleri (O2) oksijen atomlarına bölünebilirse, MEA'dan geçen protonlar, su molekülleri oluşturmak için bu oksijen atomlarıyla reaksiyona girebilir. Bu reaksiyon aynı zamanda bir denklem ile de gösterilebilir: O + 2H + + 2e- -> H20.
MEA elektrik üretmek için çeşitli kriterlere uymalıdır. Hidrojen veya oksijen gazının içinden geçmesine izin veremez. MEA ayrıca anot tarafındaki oksidatif etkiye ve katod tarafındaki indirgeyici etkiye dayanabilmelidir.
Platin katalizörler hidrojen moleküllerini nispi kolaylıkla ayırmak için kullanılabilir. Bununla birlikte, oksijen moleküllerini platin katalizörlerle bölmek, ancak önemli elektrik kayıpları üretmektedir. Platin katalizörlerle ilgili ek bir problem, çok az miktarda karbon dioksitin performanslarını önemli ölçüde düşüreceğidir. Bilim adamları 2010'dan itibaren oksijen moleküllerini ayırmak için pratik bir katalizör keşfetmediler, ancak karbon, demir ve azottan oluşan bir katalizör en büyük sözü verdiler. Bu katalizör ile birincil zorluk, reaksiyon hızının kısa bir süre içinde hızla düşmesidir.
Su ayrıca bir proton değişim membranı yakıt hücresinde elektrik kaybına neden olur. Yakıt hücresi fazla suyun MEA'yı taşmasını engellemeli, ancak MEA'nın kurumasını engellemek için yeterli suya izin vermelidir. Proton değişim membranlı bir yakıt hücresindeki su yönetimi zordur, çünkü su MEA'nın katod tarafına çekilir. Elektro ozmotik pompalar bu soruna olası bir çözümdür.
