En protonudvekslingsmembran eller polymerelektrolytmembran (POM, PEM) er en semipermeabel membran , sædvanligvis lavet af ionomerer og designet til at lede protoner , der fungerer som en elektronisk isolator og barriere for reaktanter som oxygen og brint [1] . Deres hovedfunktion, når de indgår i en membranelektrodesamling (MEA) af en brændselscelle med en protonudvekslingsmembran eller en protonudvekslingsmembranelektrolysator, er adskillelse af reaktanter og overførsel af protoner, mens de blokerer den direkte elektronvej gennem membranen.
PEM'er kan fremstilles enten af rene polymermembraner eller fra kompositmembraner, hvor andre materialer er indlejret i polymermatrixen. Et af de mest almindelige og kommercielt tilgængelige PEM-materialer er perfluorsulfonsyrepolymer (PFSA) Nafion. Polyaromatiske polymerer og delvist fluorerede polymerer anvendes også som materialer til protonudvekslingsmembraner.
De vigtigste egenskaber ved protonudvekslingsmembraner er protonledningsevne ( σ), methanolpermeabilitet (P) og termisk stabilitet. PEM-brændselsceller bruger en solid polymermembran (tynd plastfilm) som elektrolyt. Denne polymer er, når den er mættet med vand, permeabel for protoner, men leder ikke elektroner.
Protonudvekslingsmembranteknologi blev først udviklet i begyndelsen af 1960'erne af Leonard Nidrach og Thomas Grubb, kemikere, der arbejder for General Electric Company . [2] Der er afsat betydelige statslige ressourcer til undersøgelse og udvikling af disse membraner til brug i NASA's Gemini rumflyvningsprogram . [3] En række tekniske problemer fik imidlertid NASA til i første omgang at opgive brugen af protonudvekslingsmembranbrændselsceller i dette program [4] General Electrics avancerede FEM-brændselscelle blev brugt på alle efterfølgende Gemini-flyvninger, men blev opgivet for efterfølgende Apollo flyvninger . Den fluorerede ionomer Nafion, som er det mest udbredte protonudvekslingsmembranmateriale i dag, er udviklet af DuPonts plastkemiker Walter Groth. Grotto demonstrerede også sin anvendelighed som en elektrokemisk separatormembran. [5]
I 2014 offentliggjorde Andre Geim fra University of Manchester de første resultater af et atomtykt monolag af grafen og bornitrid, der tillod kun protoner at passere gennem materialet, hvilket gør disse materialer til en potentiel erstatning for fluorerede ionomerer som et TEM-materiale. [6] [7]
FEMFC'er har nogle fordele i forhold til andre typer brændselsceller, såsom fastoxidbrændselsceller (SOFC'er). PEMFC'er fungerer ved lavere temperaturer, er lettere og mere kompakte, hvilket gør dem ideelle til bilapplikationer. Der er dog også nogle ulemper: Driftstemperaturen på ~80°C er for lav til generering, som i SOFC, desuden skal elektrolytten til PEMFC være vandmættet. Nogle brændselscellekøretøjer fungerer dog uden luftfugtere, idet de er afhængige af hurtig vandproduktion og høje hastigheder af tilbagediffusion gennem tynde membraner for at opretholde membran- og ionomerhydrering i katalysatorlejerne.
Højtemperatur-FEMFC'er fungerer mellem 100°C og 200°C, hvilket potentielt giver fordele inden for elektrodekinetik og varmestyring, samt bedre modstandsdygtighed over for brændstofurenheder, især CO. Disse forbedringer har potentiale til at forbedre systemets overordnede effektivitet. Disse fordele mangler dog endnu at blive realiseret, da PFAS-membraner hurtigt svigter ved temperaturer over 100°C og hydrering under 100%, hvilket resulterer i reduceret levetid. Som følge heraf udforskes nye vandfri protonledere såsom protiske organiske ion-plastkrystaller (POIPC'er) og protiske ioniske væsker til brug i brændselsceller. [otte]
Brændstoffet til PEMFC er brint, og ladningsbæreren er en hydrogenion (proton). Ved anoden opdeles brintmolekylet i brintioner (protoner) og elektroner. Hydrogenioner passerer gennem elektrolytten til katoden, mens elektroner passerer gennem det eksterne kredsløb og genererer elektricitet. Ilt, normalt i form af luft, tilføres katoden og kombineres med elektroner og brintioner for at danne vand. Reaktionerne på elektroderne er som følger:
Reaktion ved anoden:
2H2 - > 4H + + 4e-Reaktion ved katoden:
O2 + 4H + + 4e - → 2H20
Generel reaktion af cellen:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + varme + elektrisk energi
Det teoretiske eksoterme potentiale er +1,23 V i alt.
Hovedanvendelsen af protonudvekslingsmembraner er i PEM-brændselsceller. Disse brændselsceller er meget udbredt i kommercielle og militære applikationer, herunder rumfarts-, bil- og energiindustrien.
De største markeder for protonudvekslingsmembranbrændselsceller i dag er bilindustrien samt strømproduktion til personlig og offentlig brug. PEM-brændselsceller er populære i bilindustrien på grund af deres relativt lave driftstemperatur og deres evne til at starte hurtigt selv ved temperaturer under frysepunktet. PEM-brændselsceller bliver også med succes brugt i andre typer tungt udstyr, hvor Ballard Power Systems leverer gaffeltrucks baseret på denne teknologi. Den største udfordring for bilindustriens TEM-teknologi er sikker og effektiv opbevaring af brint, som i øjeblikket er et område med intens forskningsaktivitet.
Polymerelektrolytmembranelektrolyse er en teknologi, hvorved protonudvekslingsmembraner bruges til at nedbryde vand til brint og oxygengas. Protonudvekslingsmembranen gør det muligt at separere den producerede brint fra ilten, så begge produkter kan bruges efter behov. Denne proces er blevet brugt til at producere brintbrændstof og ilt til livsstøttesystemer på skibe som US Navy og Royal Navy ubåde. Et nyligt eksempel er opførelsen af et 20 MW Air Liquide PEM elektrolyseanlæg i Quebec. Lignende TEM-baserede enheder er tilgængelige til industriel ozonproduktion.