Ett protonbytesmembran eller polymerelektrolytmembran (POM, PEM) är ett semipermeabelt membran , vanligtvis tillverkat av jonomerer och utformat för att leda protoner , som fungerar som en elektronisk isolator och barriär mot reaktanter som syre och väte [1] . Deras huvudsakliga funktion när de ingår i en membranelektrodenhet (MEA) i en bränslecell med ett protonbytesmembran eller en protonbytesmembranelektrolysator är separationen av reaktanter och överföringen av protoner samtidigt som den blockerar den direkta elektronvägen genom membranet.
PEM kan göras antingen från rena polymermembran eller från kompositmembran där andra material är inbäddade i polymermatrisen. Ett av de vanligaste och mest kommersiellt tillgängliga PEM-materialen är perfluorsulfonsyrapolymer (PFSA) Nafion. Polyaromatiska polymerer och partiellt fluorerade polymerer används också som material för protonbytesmembran.
De huvudsakliga egenskaperna hos protonbytesmembran är protonledningsförmåga ( σ), metanolpermeabilitet (P) och termisk stabilitet. PEM-bränsleceller använder ett fast polymermembran (tunn plastfilm) som elektrolyt. Denna polymer är, när den är mättad med vatten, permeabel för protoner men leder inte elektroner.
Protonbytesmembranteknologi utvecklades först i början av 1960-talet av Leonard Nidrach och Thomas Grubb, kemister som arbetar för General Electric Company . [2] Betydande statliga resurser har ägnats åt studien och utvecklingen av dessa membran för användning i NASA:s Gemini rymdfärdsprogram . [3] Ett antal tekniska problem ledde emellertid till att NASA till en början övergav användningen av protonutbytesmembranbränsleceller i detta program. [4] General Electrics avancerade FEM-bränslecell användes på alla efterföljande Gemini-flygningar, men övergavs för efterföljande Apollo flyg . Den fluorerade jonomeren Nafion, som är det mest använda protonbytesmembranmaterialet idag, utvecklades av DuPonts plastkemist Walter Groth. Grotto visade också sin användbarhet som ett elektrokemiskt separatormembran. [5]
År 2014 publicerade Andre Geim från University of Manchester de första resultaten av ett atomtjockt monolager av grafen och bornitrid som tillät endast protoner att passera genom materialet, vilket gör dessa material till en potentiell ersättning för fluorerade jonomerer som ett TEM-material. [6] [7]
FEMFC har vissa fördelar jämfört med andra typer av bränsleceller som bränsleceller med fast oxid (SOFC). PEMFC arbetar vid lägre temperaturer, är lättare och mer kompakt, vilket gör dem idealiska för fordonstillämpningar. Men det finns också några nackdelar: drifttemperaturen på ~80°C är för låg för generering, som i SOFC, dessutom måste elektrolyten för PEMFC vara vattenmättad. Vissa bränslecellsfordon fungerar dock utan luftfuktare och förlitar sig på snabb vattenproduktion och höga hastigheter av tillbakadiffusion genom tunna membran för att upprätthålla membran- och jonomerhydratisering i katalysatorbäddarna.
Högtemperatur-FEMFC arbetar mellan 100°C och 200°C, vilket kan erbjuda fördelar inom elektrodkinetik och värmehantering, samt bättre motståndskraft mot bränsleföroreningar, särskilt CO. Dessa förbättringar har potential att förbättra systemets totala effektivitet. Dessa fördelar har dock ännu inte uppnåtts eftersom PFAS-membran snabbt misslyckas vid temperaturer över 100°C och hydratisering under 100 %, vilket resulterar i minskad livslängd. Som ett resultat av detta undersöks nya vattenfria protonledare såsom protiska organiska jonplastkristaller (POIPC) och protiska joniska vätskor för användning i bränsleceller. [åtta]
Bränslet för PEMFC är väte och laddningsbäraren är en vätejon (proton). Vid anoden delas vätemolekylen i vätejoner (protoner) och elektroner. Vätejoner passerar genom elektrolyten till katoden, medan elektroner passerar genom den externa kretsen och genererar elektricitet. Syre, vanligtvis i form av luft, matas till katoden och kombineras med elektroner och vätejoner för att bilda vatten. Reaktionerna på elektroderna är som följer:
Reaktion vid anoden:
2H2 - > 4H + + 4e-Reaktion vid katoden:
O2 + 4H + + 4e - → 2H2O
Generell reaktion av cellen:
2H2 + O2 → 2H2O + värme + elektrisk energi
Den teoretiska exotermiska potentialen är +1,23 V totalt.
Den huvudsakliga tillämpningen av protonbytesmembran är i PEM-bränsleceller. Dessa bränsleceller används i stor utsträckning i kommersiella och militära tillämpningar, inklusive flyg-, fordons- och energiindustrin.
De största marknaderna för protonbytesmembranbränsleceller idag är fordonsindustrin samt kraftgenerering för personligt och offentligt bruk. PEM-bränsleceller är populära inom bilindustrin på grund av deras relativt låga driftstemperatur och deras förmåga att starta snabbt även vid temperaturer under fryspunkten. PEM-bränsleceller används också framgångsrikt i andra typer av tung utrustning, där Ballard Power Systems levererar gaffeltruckar baserade på denna teknologi. Den största utmaningen för TEM-teknik för bilar är säker och effektiv lagring av väte, som för närvarande är ett område med intensiv forskningsaktivitet.
Polymerelektrolytmembranelektrolys är en teknik genom vilken protonbytesmembran används för att sönderdela vatten till väte och syrgas. Protonbytesmembranet gör att vätet som produceras kan separeras från syret, vilket gör att båda produkterna kan användas efter behov. Denna process har använts för att producera vätebränsle och syre för livsuppehållande system på fartyg som US Navy och Royal Navy ubåtar. Ett färskt exempel är byggandet av en 20 MW Air Liquide PEM elektrolysanläggning i Quebec. Liknande TEM-baserade enheter finns tillgängliga för industriell ozonproduktion.