Proton -utvekslingsmembran - Proton-exchange membrane

En protonbyttermembran , eller polymerelektrolyttmembran ( PEM ), er en semipermeabel membran som vanligvis er laget av ionomerer og designet for å lede protoner mens den fungerer som en elektronisk isolator og reaktantbarriere, f.eks. Til oksygen og hydrogengass . Dette er deres vesentlige funksjon når de innlemmes i en membranelektrodesamling (MEA) av en brenselcelle for protonbyttermembraner eller for en protonbyttermembranelektrolysator : separering av reaktanter og transport av protoner mens den blokkerer en direkte elektronisk vei gjennom membranen.

PEM kan lages enten av rene polymermembraner eller av komposittmembraner , hvor andre materialer er innebygd i en polymermatrise. Et av de vanligste og kommersielt tilgjengelige PEM -materialene er fluorpolymeren ( PFSA ) Nafion , et DuPont -produkt. Mens Nafion er en ionomer med et perfluorert ryggrad som Teflon , er det mange andre strukturelle motiver som brukes til å lage ionomerer til protonbyttermembraner. Mange bruker polyaromatiske polymerer, mens andre bruker delvis fluorerte polymerer.

Proton-bytter membranene er først og fremst karakterisert ved protonledningsevne (σ), metanol permeabilitet ( P ), og termisk stabilitet.

PEM -brenselceller bruker en solid polymermembran (en tynn plastfilm) som er gjennomtrengelig for protoner når den er mettet med vann, men den leder ikke elektroner.

Historie

Leonard Niedrach (til venstre) og Thomas Grubb (til høyre), oppfinnere av protonbyttermembranteknologi.

Tidlig protonbyttermembranteknologi ble utviklet på begynnelsen av 1960-tallet av Leonard Niedrach og Thomas Grubb, kjemikere som jobbet for General Electric Company . Betydelige offentlige ressurser ble brukt til å studere og utvikle disse membranene for bruk i NASAs prosjekt Gemini romfartsprogram. En rekke tekniske problemer fikk NASA til å gi avkall på bruk av protonutvekslingsmembranbrenselceller til fordel for batterier som en lavere kapasitet, men mer pålitelig alternativ for Gemini-oppdrag 1-4. En forbedret generasjon av General Electrics PEM -brenselcelle ble brukt i alle påfølgende Gemini -oppdrag, men ble forlatt for de påfølgende Apollo -oppdragene. Den fluorerte ionomeren Nafion , som i dag er det mest brukte protonbyttermembranmaterialet , ble utviklet av DuPont plastikkjemiker Walther Grot. Grot demonstrerte også sin nytte som en elektrokjemisk separatormembran.

I 2014 publiserte Andre Geim ved University of Manchester innledende resultater på atomtykke monolag av grafen og bornitrid som tillot bare protoner å passere gjennom materialet, noe som gjorde dem til en potensiell erstatning for fluorerte ionomerer som et PEM -materiale.

Brenselcelle

PEMFC har noen fordeler i forhold til andre typer brenselceller som brenselceller med fast oksid (SOFC). PEMFC -er opererer ved lavere temperatur, er lettere og mer kompakte, noe som gjør dem ideelle for applikasjoner som biler. Noen ulemper er imidlertid: ~ 80 ° C driftstemperatur er for lav for kraftvarme som i SOFC, og at elektrolytten for PEMFC må være vannmettet. Noen brenselcellebiler, inkludert Toyota Mirai , fungerer imidlertid uten luftfuktere, og er avhengige av rask vanngenerering og høy tilbakespredning gjennom tynne membraner for å opprettholde hydrering av membranen, så vel som ionomeren i katalysatorlagene .

Høytemperatur PEMFC-er opererer mellom 100 ° C og 200 ° C, noe som potensielt gir fordeler innen elektrodekinetikk og varmestyring, og bedre toleranse for drivstoffforurensninger, spesielt CO ved reformering. Disse forbedringene kan potensielt føre til høyere generelle systemeffektiviteter. Imidlertid har disse gevinstene ennå ikke blitt realisert, ettersom gullstandard perfluorerte sulfonsyre (PFSA) membraner mister funksjonen raskt ved 100 ° C og over hvis hydrering faller under ~ 100%, og begynner å krype i dette temperaturområdet, noe som resulterer i lokalisert tynning og generelt lavere systemlevetid. Som et resultat studeres nye vannfrie protonledere, for eksempel protiske organiske ioniske plastkrystaller (POIPCs) og protiske ioniske væsker , aktivt for utvikling av passende PEM -er.

Drivstoffet til PEMFC er hydrogen, og ladingsbæreren er hydrogenionen (proton). Ved anoden er hydrogenmolekylet delt i hydrogenioner (protoner) og elektroner. Hydrogenionene trenger gjennom elektrolytten til katoden, mens elektronene flyter gjennom en ekstern krets og produserer elektrisk kraft. Oksygen, vanligvis i form av luft, tilføres katoden og kombineres med elektronene og hydrogenionene for å produsere vann. Reaksjonene ved elektrodene er som følger:

Anode reaksjon:
2H 2 → 4H + + 4e -
Katode reaksjon:
O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
Samlet cellereaksjon:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + varme + elektrisk energi

Det teoretiske eksoterme potensialet er +1,23 V totalt.

applikasjoner

Den primære anvendelsen av protonbyttermembraner er i PEM-brenselceller. Disse brenselcellene har et bredt spekter av kommersielle og militære applikasjoner, inkludert innen luftfart, bil og energi.

Tidlige PEM -brenselcelle -applikasjoner var fokusert innen luftfartsindustrien. Den da høyere kapasiteten til brenselceller sammenlignet med batterier gjorde dem ideelle da NASAs Project Gemini begynte å målrette romoppdrag med lengre varighet enn det som tidligere var forsøkt.

Bilindustrien så vel som personlig og offentlig kraftproduksjon er de største markedene for brenselceller for protonbytte i dag. PEM-brenselceller er populære i bilapplikasjoner på grunn av deres relativt lave driftstemperatur og evne til å starte raskt selv under forholdene under frysepunktet. Fra mars 2019 var det 6558 drivstoffcellebiler på veien i USA, med Toyota Mirai som den mest populære modellen. California leder USA i hydrogentankstasjoner med 43, med California Energy Commission som har tilgang til 20 millioner dollar per år i finansiering frem til 2023 for å utvide dekningen. PEM -brenselceller har også vært vellykket implementert i andre former for tunge maskiner, og Ballard Power Systems leverer gaffeltrucker basert på teknologien. Den primære utfordringen for bilindustriens PEM -teknologi er sikker og effektiv lagring av hydrogen, for tiden et område med høy forskningsaktivitet.

Polymerelektrolyttmembranelektrolyse er en teknikk der protonbyttermembraner brukes til å bryte ned vann til hydrogen og oksygengass. Protonutvekslingsmembranen tillater separasjon av produsert hydrogen fra oksygen, slik at begge produktene kan utnyttes etter behov. Denne prosessen har blitt brukt på forskjellige måter for å generere hydrogenbrensel og oksygen til livsstøttesystemer i fartøyer som amerikanske ubåter og Royal Navy . Et nylig eksempel er byggingen av et 20 MW Air Liquide PEM elektrolysatoranlegg i Québec. Lignende PEM-baserte enheter er tilgjengelige for industriell produksjon av ozon.

Se også

Referanser

Eksterne linker