Protonutbytesmembran
Ett protonutbytesmembran , eller polymer-elektrolytmembran ( PEM ), är ett semipermeabelt membran som vanligtvis är tillverkat av jonomerer och utformat för att leda protoner samtidigt som det fungerar som en elektronisk isolator och reaktantbarriär, t.ex. mot syre och vätgas . Detta är deras väsentliga funktion när de ingår i en membranelektrodenhet (MEA) i en protonutbytesmembranbränslecell eller i en protonutbytesmembranelektrolysör : separation av reaktanter och transport av protoner samtidigt som den blockerar en direkt elektronisk väg genom membranet.
PEM kan tillverkas av antingen rena polymermembran eller från kompositmembran , där andra material är inbäddade i en polymermatris. Ett av de vanligaste och mest kommersiellt tillgängliga PEM-materialen är fluorpolymeren ( PFSA) Nafion , en DuPont -produkt. Medan Nafion är en jonomer med en perfluorerad ryggrad som Teflon , finns det många andra strukturella motiv som används för att göra jonomerer för protonutbytesmembran. Många använder polyaromatiska polymerer, medan andra använder partiellt fluorerade polymerer.
Protonutbytesmembran kännetecknas i första hand av protonledningsförmåga ( σ), metanolpermeabilitet ( P ) och termisk stabilitet.
PEM-bränsleceller använder ett fast polymermembran (en tunn plastfilm) som är permeabel för protoner när den är mättad med vatten, men den leder inte elektroner.
Historia
Tidig proton-utbytesmembranteknologi utvecklades i början av 1960-talet av Leonard Niedrach och Thomas Grubb, kemister som arbetar för General Electric Company . Betydande statliga resurser ägnades åt studier och utveckling av dessa membran för användning i NASA:s projekt Gemini rymdflygningsprogram. Ett antal tekniska problem fick NASA att avstå från användningen av protonutbytesmembranbränsleceller till förmån för batterier som ett lägre kapacitet men mer pålitligt alternativ för Gemini-uppdrag 1-4. En förbättrad generation av General Electrics PEM-bränslecell användes i alla efterföljande Gemini-uppdrag, men övergavs för de efterföljande Apollo- uppdragen. Den fluorerade jonomeren Nafion , som idag är det mest använda protonutbytesmembranmaterialet, utvecklades av DuPonts plastkemist Walther Grot. Grot visade också sin användbarhet som ett elektrokemiskt separatormembran.
År 2014 publicerade Andre Geim från University of Manchester initiala resultat på atomtjocka monolager av grafen och bornitrid som tillät endast protoner att passera genom materialet, vilket gör dem till en potentiell ersättning för fluorerade jonomerer som ett PEM-material.
Bränslecell
PEMFC har vissa fördelar jämfört med andra typer av bränsleceller såsom solid oxide fuel cells ( SOFC). PEMFC arbetar vid lägre temperatur, är lättare och mer kompakt, vilket gör dem idealiska för tillämpningar som bilar. Några nackdelar är dock: ~80 °C driftstemperaturen är för låg för kraftvärme som i SOFC, och att elektrolyten för PEMFC måste vara vattenmättad. Vissa bränslecellsbilar, inklusive Toyota Mirai , fungerar dock utan luftfuktare, och förlitar sig på snabb vattengenerering och den höga hastigheten för tillbakadiffusion genom tunna membran för att upprätthålla hydratiseringen av membranet, såväl som jonomeren i katalysatorskikten .
Högtemperatur-PEMFC arbetar mellan 100 °C och 200 °C, vilket kan erbjuda fördelar inom elektrodkinetik och värmehantering, och bättre tolerans mot bränsleföroreningar, särskilt CO i reformat. Dessa förbättringar skulle potentiellt kunna leda till högre total systemeffektivitet. Dessa vinster har dock ännu inte realiserats, eftersom membranen av guldstandard perfluorerad sulfonsyra (PFSA) förlorar funktion snabbt vid 100 °C och över om hydratiseringen sjunker under ~100 % och börjar krypa i detta temperaturintervall, vilket resulterar i lokaliserad gallring och totalt sett lägre systemlivslängder. Som ett resultat studeras nya vattenfria protonledare, såsom protiska organiska joniska plastkristaller (POIPC) och protiska joniska vätskor , aktivt för utveckling av lämpliga PEM.
Bränslet för PEMFC är väte och laddningsbäraren är vätejonen (proton). Vid anoden delas vätemolekylen i vätejoner (protoner) och elektroner. Vätejonerna tränger igenom elektrolyten till katoden, medan elektronerna strömmar genom en extern krets och producerar elektrisk kraft. Syre, vanligtvis i form av luft, tillförs katoden och kombineras med elektronerna och vätejonerna för att producera vatten. Reaktionerna vid elektroderna är följande:
- Anodreaktion:
- 2H 2 → 4H + + 4e −
- Katodreaktion:
- O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O
- Total cellreaktion:
- 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + värme + elektrisk energi
Den teoretiska exotermiska potentialen är +1,23 V totalt.
Ansökningar
Den primära tillämpningen av protonutbytesmembran är i PEM-bränsleceller. Dessa bränsleceller har en mängd olika kommersiella och militära tillämpningar, inklusive inom flyg-, bil- och energiindustrin.
Tidiga PEM-bränslecellstillämpningar var fokuserade inom flygindustrin. Den då högre kapaciteten hos bränsleceller jämfört med batterier gjorde dem idealiska eftersom NASA:s Project Gemini började rikta in sig på rymduppdrag med längre varaktighet än vad som tidigare försökts.
Fordonsindustrin samt personlig och offentlig kraftproduktion är de största marknaderna för protonutbytesmembranbränsleceller idag. PEM-bränsleceller är populära i biltillämpningar på grund av deras relativt låga driftstemperatur och deras förmåga att starta snabbt även i förhållanden under fryspunkten. I mars 2019 fanns det 6 558 bränslecellsfordon på vägen i USA, med Toyota Mirai som den mest populära modellen. Kalifornien leder USA i vätgastankstationer med 43, där California Energy Commission har tillgång till 20 miljoner dollar per år i finansiering fram till 2023 för att utöka täckningen. PEM-bränsleceller har också sett framgångsrik implementering i andra former av tunga maskiner, där Ballard Power Systems levererar gaffeltruckar baserade på tekniken. Den främsta utmaningen för PEM-teknik för bilar är säker och effektiv lagring av väte, för närvarande ett område med hög forskningsaktivitet.
Polymerelektrolytmembranelektrolys är en teknik genom vilken protonutbytesmembran används för att sönderdela vatten till väte och syrgas. Protonutbytesmembranet möjliggör separation av producerat väte från syre, vilket gör att båda produkterna kan utnyttjas efter behov. Denna process har använts på olika sätt för att generera vätebränsle och syre för livsuppehållande system i fartyg som US och Royal Navy ubåtar. Ett färskt exempel är byggandet av en 20 MW Air Liquide PEM-elektrolysanläggning i Québec. Liknande PEM-baserade enheter finns tillgängliga för industriell produktion av ozon.
Se även
externa länkar
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
