A protoncserélő membrán vagy polimer elektrolit membrán (POM, PEM) egy félig áteresztő membrán , amely általában ionomerekből készül, és protonok vezetésére szolgál , és elektronikus szigetelőként és gátként működik az olyan reaktánsokkal szemben, mint az oxigén és a hidrogén [1] . A protoncserélő membránnal vagy protoncserélő membránelektrolizátorral ellátott üzemanyagcella membránelektród-szerelvényébe (MEA) való beépítésükkor fő funkciójuk a reaktánsok szétválasztása és a protonok átvitele, miközben blokkolják a membránon áthaladó közvetlen elektronút.
A PEM-ek vagy tiszta polimer membránokból, vagy olyan kompozit membránokból készülhetnek, ahol más anyagok vannak beágyazva a polimer mátrixba. Az egyik legelterjedtebb és a kereskedelemben kapható PEM-anyag a perfluorszulfonsav polimer (PFSA) Nafion. A poliaromás polimereket és a részben fluorozott polimereket protoncserélő membránok anyagaként is használják.
A protoncserélő membránok fő jellemzői a proton vezetőképesség (σ), a metanol permeabilitás (P) és a hőstabilitás. A PEM üzemanyagcellák szilárd polimer membránt (vékony műanyag fóliát) használnak elektrolitként. Ez a polimer vízzel telítve protonáteresztő, de nem vezet elektronokat.
A protoncserélő membrántechnológiát először az 1960-as évek elején fejlesztették ki Leonard Nidrach és Thomas Grubb, a General Electric Company vegyészei . [2] Jelentős kormányzati erőforrásokat fordítottak ezeknek a membránoknak a tanulmányozására és fejlesztésére a NASA Gemini űrrepülési programjában . [3] Számos technikai probléma azonban arra késztette a NASA-t, hogy kezdetben felhagyott a protoncserélő membrán üzemanyagcellák használatával ebben a programban. [4] A General Electric fejlett FEM üzemanyagcelláját minden további Gemini repülésen használták, de a későbbiekben elhagyták. Apollo járatok . A Nafion fluorozott ionomert, amely napjainkban a legszélesebb körben használt protoncserélő membrán anyag, a DuPont műanyagvegyésze, Walter Groth fejlesztette ki. A Grotto bemutatta elektrokémiai szeparátormembránként való hasznosságát is. [5]
2014-ben Andre Geim, a Manchesteri Egyetem munkatársa közzétette az első eredményeket egy atomvastagságú grafén és bór-nitrid egyrétegű rétegről, amely csak protonokat engedett át az anyagon, így ezek az anyagok potenciálisan helyettesíthetik a fluorozott ionomereket TEM-anyagként. [6] [7]
A FEMFC-knek van néhány előnyük más típusú üzemanyagcellákkal szemben, mint például a szilárd oxid üzemanyagcellák (SOFC). A PEMFC-k alacsonyabb hőmérsékleten működnek, könnyebbek és kompaktabbak, így ideálisak autóipari alkalmazásokhoz. Vannak azonban hátrányai is: a ~80°C-os üzemi hőmérséklet túl alacsony a generáláshoz, mint a SOFC-ben, ráadásul a PEMFC elektrolitjának vízzel telítettnek kell lennie. Egyes üzemanyagcellás járművek azonban párásítók nélkül működnek, gyors víztermelésre és a vékony membránokon keresztüli nagy visszadiffúzióra támaszkodva, hogy fenntartsák a membrán- és ionomer-hidratációt a katalizátorágyakban.
A magas hőmérsékletű FEMFC-k 100 °C és 200 °C között működnek, potenciálisan előnyöket kínálva az elektródák kinetikájában és a hőkezelésben, valamint jobban ellenállnak az üzemanyag-szennyeződéseknek, különösen a CO-nak. Ezek a fejlesztések javíthatják a rendszer általános hatékonyságát. Ezeket az előnyöket azonban még észre kell venni, mivel a PFAS membránok gyorsan meghibásodnak 100 °C feletti hőmérsékleten és 100% alatti hidratáción, ami csökkenti az élettartamot. Ennek eredményeként új vízmentes protonvezetőket, például protikus szerves ionos műanyag kristályokat (POIPC) és protikus ionos folyadékokat kutatnak üzemanyagcellákban való felhasználásra. [nyolc]
A PEMFC üzemanyaga hidrogén, a töltéshordozó pedig hidrogénion (proton). Az anódnál a hidrogénmolekula hidrogénionokra (protonokra) és elektronokra bomlik. A hidrogénionok az elektroliton keresztül a katódra, míg az elektronok a külső áramkörön keresztül áramot termelnek. Az oxigént, általában levegő formájában, a katódra táplálják, és elektronokkal és hidrogénionokkal egyesülve vizet képeznek. Az elektródák reakciói a következők:
Reakció az anódon:
2H 2 → 4H + + 4e-Reakció a katódon:
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O
A sejt általános reakciója:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + hő + elektromos energia
Az elméleti exoterm potenciál összesen +1,23 V.
A protoncserélő membránok fő alkalmazási területe a PEM üzemanyagcellák. Ezeket az üzemanyagcellákat széles körben használják kereskedelmi és katonai alkalmazásokban, beleértve a repülőgép-, autó- és energiaipart.
A protoncserélő membrán üzemanyagcellák legnagyobb piacait ma az autóipar, valamint a személyes és nyilvános használatra szánt energiatermelés jelenti. A PEM üzemanyagcellák népszerűek az autóiparban, mivel viszonylag alacsony üzemi hőmérsékletük, és fagypont alatti hőmérsékleten is gyorsan indulnak. A PEM üzemanyagcellákat más típusú nehéz berendezésekben is sikeresen alkalmazzák, a Ballard Power Systems ezen a technológián alapuló targoncákat szállít. Az autóipari TEM technológia előtt álló fő kihívás a hidrogén biztonságos és hatékony tárolása, amely jelenleg intenzív kutatási tevékenység.
A polimer elektrolit membrán elektrolízis olyan technológia, amellyel protoncserélő membránokat használnak a víz hidrogénre és oxigénre történő lebontására. A protoncserélő membrán lehetővé teszi a termelt hidrogén elválasztását az oxigéntől, így mindkét termék szükség szerint felhasználható. Ezt az eljárást használták hidrogén-üzemanyag és oxigén előállítására olyan hajók életfenntartó rendszereihez, mint az amerikai haditengerészet és a királyi haditengerészet tengeralattjárói. Egy közelmúltbeli példa egy 20 MW-os Air Liquide PEM elektrolizáló üzem építése Quebecben. Hasonló TEM-alapú eszközök állnak rendelkezésre az ipari ózongyártáshoz.