Membrána pro výměnu protonů neboli polymerní elektrolytová membrána (POM, PEM) je semipermeabilní membrána , obvykle vyrobená z ionomerů a navržená k vedení protonů , fungující jako elektronický izolátor a bariéra pro reaktanty, jako je kyslík a vodík [1] . Jejich hlavní funkcí, když jsou zahrnuty do sestavy membránových elektrod (MEA) palivového článku s membránou pro výměnu protonů nebo elektrolyzéru s membránou pro výměnu protonů, je separace reaktantů a přenos protonů při blokování přímé dráhy elektronů přes membránu.
PEM mohou být vyrobeny buď z čistých polymerních membrán, nebo z kompozitních membrán, kde jsou v polymerní matrici zabudovány jiné materiály. Jedním z nejběžnějších a komerčně dostupných PEM materiálů je polymer perfluorosulfonové kyseliny (PFSA) Nafion. Polyaromatické polymery a částečně fluorované polymery se také používají jako materiály pro protonové výměnné membrány.
Hlavní charakteristiky protonových výměnných membrán jsou protonová vodivost (σ), propustnost pro methanol (P) a tepelná stabilita. Palivové články PEM používají jako elektrolyt pevnou polymerovou membránu (tenkou plastovou fólii). Tento polymer, když je nasycený vodou, je propustný pro protony, ale nevede elektrony.
Technologie protonové výměnné membrány byla poprvé vyvinuta na počátku 60. let 20. století Leonardem Nidrachem a Thomasem Grubbem, chemiky pracujícími pro General Electric Company . [2] Významné vládní zdroje byly věnovány studiu a vývoji těchto membrán pro použití v programu NASA Gemini pro vesmírné lety . [3] Řada technických problémů však vedla NASA k tomu, že zpočátku upustila od používání palivových článků s protonovou výměnnou membránou v tomto programu . Lety Apollo . Fluorovaný ionomer Nafion, který je dnes nejpoužívanějším membránovým materiálem pro výměnu protonů, byl vyvinut chemikem společnosti DuPont pro plasty Walterem Grothem. Grotto také prokázalo svou užitečnost jako elektrochemická separační membrána. [5]
V roce 2014 Andre Geim z University of Manchester publikoval první výsledky atomově silné monovrstvy grafenu a nitridu boru, která umožňovala průchod pouze protonů materiálem, díky čemuž jsou tyto materiály potenciální náhradou za fluorované ionomery jako materiál TEM. [6] [7]
FEMFC mají některé výhody oproti jiným typům palivových článků, jako jsou palivové články s pevným oxidem (SOFC). PEMFC fungují při nižších teplotách, jsou lehčí a kompaktnější, díky čemuž jsou ideální pro automobilové aplikace. Existují však i některé nevýhody: provozní teplota ~80 °C je pro výrobu příliš nízká, jako u SOFC, navíc elektrolyt pro PEMFC musí být nasycen vodou. Některá vozidla s palivovými články však fungují bez zvlhčovačů a spoléhají na rychlou produkci vody a vysokou rychlost zpětné difúze přes tenké membrány, aby se udržela hydratace membrán a ionomerů v loži katalyzátoru.
Vysokoteplotní FEMFC pracují mezi 100 °C a 200 °C a potenciálně nabízejí výhody v kinetice elektrod a tepelném managementu, stejně jako lepší odolnost vůči nečistotám z paliva, zejména CO. Tato vylepšení mají potenciál zlepšit celkovou efektivitu systému. Tyto výhody však ještě nebyly realizovány, protože membrány PFAS rychle selhávají při teplotách nad 100 °C a hydrataci pod 100 %, což má za následek sníženou životnost. V důsledku toho se zkoumají nové bezvodé protonové vodiče, jako jsou protické organické iontové plastové krystaly (POIPC) a protické iontové kapaliny pro použití v palivových článcích. [osm]
Palivem pro PEMFC je vodík a nosičem náboje je vodíkový iont (proton). Na anodě se molekula vodíku štěpí na vodíkové ionty (protony) a elektrony. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem ke katodě, zatímco elektrony procházejí vnějším obvodem a vyrábějí elektřinu. Kyslík, obvykle ve formě vzduchu, je přiváděn ke katodě a spojuje se s elektrony a vodíkovými ionty za vzniku vody. Reakce na elektrodách jsou následující:
Reakce na anodě:
2H2 - > 4H ++ 4e-Reakce na katodě:
02 + 4H + + 4e - → 2H20
Obecná reakce buňky:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + teplo + elektrická energie
Teoretický exotermický potenciál je celkem +1,23 V.
Hlavní uplatnění protonových výměnných membrán je v PEM palivových článcích. Tyto palivové články jsou široce používány v komerčních a vojenských aplikacích, včetně leteckého, automobilového a energetického průmyslu.
Největšími trhy pro palivové články s protonovou výměnnou membránou jsou dnes automobilový průmysl a také výroba energie pro osobní a veřejné použití. Palivové články PEM jsou v automobilovém průmyslu oblíbené díky relativně nízké provozní teplotě a schopnosti rychlého startu i při teplotách pod bodem mrazu. PEM palivové články se úspěšně používají i v jiných typech těžkých zařízení, přičemž Ballard Power Systems dodává vysokozdvižné vozíky založené na této technologii. Hlavní výzvou, které čelí automobilová technologie TEM, je bezpečné a efektivní skladování vodíku, což je v současnosti oblast intenzivní výzkumné činnosti.
Membránová elektrolýza polymerního elektrolytu je technologie, při které se protonovýměnné membrány používají k rozkladu vody na plynný vodík a kyslík. Membrána pro výměnu protonů umožňuje oddělení vyrobeného vodíku od kyslíku, což umožňuje použití obou produktů podle potřeby. Tento proces byl použit k výrobě vodíkového paliva a kyslíku pro systémy podpory života na lodích, jako jsou ponorky US Navy a Royal Navy. Nedávným příkladem je výstavba závodu na elektrolyzér Air Liquide PEM o výkonu 20 MW v Quebecu. Podobná zařízení na bázi TEM jsou k dispozici pro průmyslovou výrobu ozonu.