Een Proton-exchange membrane fuel cell,Protonenuitwisselingsmembraan brandstofcellen (PEMFC), ook bekend als polymeer elektrolytmembraan (PEM) brandstofcellen, zijn een type brandstofcel dat voornamelijk wordt ontwikkeld voor transporttoepassingen, maar ook voor stationaire brandstofceltoepassingen en draagbare brandstofceltoepassingen . Hun onderscheidende kenmerken zijn onder meer lagere temperatuur-/drukbereiken (50 tot 100 °C) en een speciaal protongeleidend polymeerelektrolytmembraan. PEMFC’s wekken elektriciteit op en werken volgens het tegenovergestelde principe van PEM–elektrolyse, die elektriciteit verbruikt. Ze zijn een vooraanstaande kandidaat om de verouderende alkalische brandstofceltechnologie te vervangen, die in de Space Shuttle werd gebruikt.
PEMFC’s zijn opgebouwd uit membraanelektrode-assemblages (MEA) die de elektroden, elektrolyt, katalysator en gasdiffusielagen bevatten. Een inkt van katalysator, koolstof en elektrode wordt op de vaste elektrolyt gespoten of geverfd en carbonpapier wordt aan beide zijden heet geperst om de binnenkant van de cel te beschermen en ook als elektroden te fungeren. Het centrale deel van de cel is de driefasengrens (TPB) waar de elektrolyt, katalysator en reactanten zich mengen en dus waar de celreacties daadwerkelijk plaatsvinden. Belangrijk is dat het membraan niet elektrisch geleidend mag zijn, zodat de halfreacties niet vermengen. Bedrijfstemperaturen boven 100 °C zijn gewenst , zodat het waterbijproduct stoom wordt en het waterbeheer minder kritisch wordt in het celontwerp.
Een brandstofcel met een protonenuitwisselingsmembraan zet de chemische energie die vrijkomt tijdens de elektrochemische reactie van waterstof en zuurstof om in elektrische energie, in tegenstelling tot de directe verbranding van waterstof- en zuurstofgassen om thermische energie te produceren.
Een stroom waterstof wordt geleverd aan de anodezijde van de MEA. Aan de anodezijde wordt het katalytisch gesplitst in protonen en elektronen. Deze oxidatie–halfcelreactie of waterstofoxidatiereactie (HOR) wordt weergegeven door:
Bij de anode:
{\displaystyle \mathrm {H} {2}\rightarrow \mathrm {2H} ^{+}+\mathrm {2e} ^{-}}{\mathrm {H}}{2}\rightarrow {\mathrm {2H}}^{+}+{\mathrm {2e}}^{-} {\displaystyle E^{\circ }=0\,\mathrm {V} \,\,\,{\frac {\mathrm {d} E^{\circ }}{\mathrm {d} T}}=0\,\mathrm {mV\,K^{-1}} }{\displaystyle E^{\circ }=0\, \mathrm {V} \,\,\,{\frac {\mathrm {d} E^{\circ }}{\mathrm {d} T}}=0\,\mathrm {mV\,K^{- 1}} } {\displaystyle \left(1\right)}\left(1\right)
De nieuw gevormde protonen dringen door het polymeerelektrolytmembraan naar de kathodezijde. De elektronen reizen langs een extern belastingscircuit naar de kathodezijde van de MEA, waardoor de stroomuitgang van de brandstofcel wordt gecreëerd. Ondertussen wordt een stroom zuurstof afgeleverd aan de kathodezijde van de MEA. Aan de kathodezijde reageren zuurstofmoleculen met de protonen die door het polymere elektrolytmembraan dringen en de elektronen die via het externe circuit aankomen om watermoleculen te vormen. Deze reductie-halfcelreactie of zuurstofreductiereactie (ORR) wordt weergegeven door:
Polymeer elektrolyt membraan
Hoofd artikel: Polymeer elektrolyt membraan
Pem.brandstofcel2.gif
SEM-microfoto van een PEMFC MEA-dwarsdoorsnede met een niet-edelmetaalkatalysatorkathode en Pt/C-anode. Valse kleuren toegepast voor de duidelijkheid.[4]
MEA fabricagemethoden voor PE
MFC
Om te kunnen functioneren, moet het membraan waterstofionen (protonen) geleiden, maar geen elektronen, omdat dit in feite de brandstofcel zou “kortsluiten”. Het membraan mag ook niet toestaan dat beide gassen naar de andere kant van de cel gaan, een probleem dat bekend staat als gasovergang. Ten slotte moet het membraan bestand zijn tegen zowel de reducerende omgeving aan de kathode als de agressieve oxidatieve omgeving aan de anode.
Het splitsen van het waterstofmolecuul is relatief eenvoudig door gebruik te maken van een platinakatalysator. Helaas is het splitsen van het zuurstofmolecuul moeilijker en dit veroorzaakt aanzienlijke elektrische verliezen. Een geschikt katalysatormateriaal voor dit proces is niet ontdekt en platina is de beste optie.
De PEMFC is vanwege zijn compactheid een uitstekende kandidaat voor voertuig- en andere mobiele toepassingen van elke omvang tot aan mobiele telefoons.
Cruisedesko 