O membrană schimbătoare de protoni sau o membrană cu electrolit polimeric (POM, PEM) este o membrană semi- permeabilă , de obicei făcută din ionomeri și concepută pentru a conduce protoni , acționând ca un izolator electronic și o barieră pentru reactanți precum oxigenul și hidrogenul [1] . Funcția lor principală atunci când sunt incluse într-un ansamblu de electrozi cu membrană (MEA) al unei celule de combustibil cu o membrană schimbătoare de protoni sau un electrolizor cu membrană schimbătoare de protoni este separarea reactanților și transferul protonilor în timp ce blochează calea directă a electronilor prin membrană.
PEM-urile pot fi realizate fie din membrane polimerice pure, fie din membrane compozite, unde alte materiale sunt încorporate în matricea polimerică. Unul dintre cele mai comune și disponibile în comerț materiale PEM este polimerul acidului perfluorosulfonic (PFSA) Nafion. Polimerii poliaromatici și polimerii parțial fluorurati sunt, de asemenea, utilizați ca materiale pentru membranele schimbătoare de protoni.
Principalele caracteristici ale membranelor schimbătoare de protoni sunt conductivitatea protonilor (σ), permeabilitatea la metanol (P) și stabilitatea termică. Pilele de combustibil PEM folosesc o membrană polimerică solidă (film subțire de plastic) ca electrolit. Acest polimer, atunci când este saturat cu apă, este permeabil la protoni, dar nu conduce electronii.
Tehnologia membranei schimbătoare de protoni a fost dezvoltată pentru prima dată la începutul anilor 1960 de Leonard Nidrach și Thomas Grubb, chimiști care lucrează pentru General Electric Company . [2] Resursele guvernamentale semnificative au fost dedicate studiului și dezvoltării acestor membrane pentru a fi utilizate în programul de zbor spațial Gemini al NASA . [3] Cu toate acestea, o serie de probleme tehnice au determinat NASA să abandoneze inițial utilizarea celulelor de combustie cu membrană schimbătoare de protoni în acest program [4] Celula de combustibil FEM avansată de la General Electric a fost folosită la toate zborurile Gemini ulterioare, dar a fost abandonată pentru următoarele. Zboruri Apollo . Ionomerul fluorurat Nafion, care este cel mai utilizat material de membrană cu schimb de protoni în prezent, a fost dezvoltat de chimistul de plastice DuPont Walter Groth. Grotto și-a demonstrat, de asemenea, utilitatea ca membrană separatoare electrochimică. [5]
În 2014, Andre Geim de la Universitatea din Manchester a publicat primele rezultate ale unui monostrat de grafen și nitrură de bor cu grosimea unui atom, care a permis doar protonilor să treacă prin material, făcând din aceste materiale un potențial înlocuitor pentru ionomerii fluorurati ca material TEM. [6] [7]
FEMFC-urile au unele avantaje față de alte tipuri de pile de combustie, cum ar fi pilele de combustibil cu oxid solid (SOFC). PEMFC funcționează la temperaturi mai scăzute, sunt mai ușoare și mai compacte, făcându-le ideale pentru aplicații auto. Există însă și unele dezavantaje: temperatura de funcționare de ~80°C este prea scăzută pentru generare, ca în SOFC, în plus, electrolitul pentru PEMFC trebuie să fie saturat cu apă. Cu toate acestea, unele vehicule cu celule de combustie funcționează fără umidificatoare, bazându-se pe producția rapidă de apă și pe rate ridicate de difuzie inversă prin membrane subțiri pentru a menține hidratarea membranei și a ionomerului în paturile de catalizator.
FEMFC de temperatură înaltă funcționează între 100°C și 200°C, oferind potențial avantaje în cinetica electrozilor și managementul căldurii, precum și o rezistență mai bună la impuritățile combustibilului, în special CO. Aceste îmbunătățiri au potențialul de a îmbunătăți eficiența generală a sistemului. Cu toate acestea, aceste beneficii nu au fost încă realizate, deoarece membranele PFAS eșuează rapid la temperaturi de peste 100°C și la hidratare sub 100%, ceea ce duce la o durată de viață redusă. Ca rezultat, noi conductori de protoni anhidri, cum ar fi cristalele de plastic cu ioni organici protici (POIPC) și lichidele ionice protice, sunt explorați pentru utilizare în celulele de combustibil. [opt]
Combustibilul pentru PEMFC este hidrogen, iar purtătorul de sarcină este un ion de hidrogen (proton). La anod, molecula de hidrogen este împărțită în ioni de hidrogen (protoni) și electroni. Ionii de hidrogen trec prin electrolit către catod, în timp ce electronii trec prin circuitul extern și generează electricitate. Oxigenul, de obicei sub formă de aer, este alimentat la catod și se combină cu electroni și ionii de hidrogen pentru a forma apă. Reacțiile la electrozi sunt după cum urmează:
Reacția la anod:
2H 2 → 4H + + 4e −Reacția la catod:
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O
Reacția generală a celulei:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + căldură + energie electrică
Potențialul exotermic teoretic este de +1,23 V în total.
Principala aplicație a membranelor de schimb de protoni este în celulele de combustibil PEM. Aceste celule de combustibil sunt utilizate pe scară largă în aplicații comerciale și militare, inclusiv în industria aerospațială, auto și energetică.
Cele mai mari piețe pentru celulele de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni în prezent sunt industria auto, precum și generarea de energie pentru uz personal și public. Pilele de combustibil PEM sunt populare în industria auto datorită temperaturii lor de funcționare relativ scăzute și a capacității lor de a porni rapid chiar și la temperaturi sub zero. Pilele de combustibil PEM sunt, de asemenea, utilizate cu succes în alte tipuri de echipamente grele, Ballard Power Systems furnizând stivuitoare bazate pe această tehnologie. Principala provocare cu care se confruntă tehnologia TEM auto este stocarea sigură și eficientă a hidrogenului, care este în prezent un domeniu de activitate intensă de cercetare.
Electroliza membranei electrolitice polimerice este o tehnologie prin care membranele schimbătoare de protoni sunt utilizate pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen gazos. Membrana schimbătoare de protoni permite ca hidrogenul produs să fie separat de oxigen, permițând ambelor produse să fie utilizate după cum este necesar. Acest proces a fost folosit pentru a produce hidrogen combustibil și oxigen pentru sistemele de susținere a vieții pe nave precum submarinele US Navy și Royal Navy. Un exemplu recent este construcția unei centrale de electrolizor Air Liquide PEM de 20 MW în Quebec. Dispozitive similare bazate pe TEM sunt disponibile pentru producția industrială de ozon.