Τι είναι η κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων;
Ένα κυψέλη καυσίμου ανταλλαγής πρωτονίων (PEMFC) είναι μια κυψέλη καυσίμου που χρησιμοποιεί υδρογόνο και οξυγόνο για την απελευθέρωση της ηλεκτρικής ενέργειας.Το χαρακτηριστικό του χαρακτηριστικό είναι μια μεμβράνη ηλεκτρολύτη που ονομάζεται συγκρότημα ηλεκτροδίου μεμβράνης (MEA) που επιτρέπει τη διέλευση πρωτονίων αλλά όχι ηλεκτρόνια.Μια κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων έχει πιθανές εφαρμογές τόσο ως σταθερή όσο και ως φορητή κυψέλη καυσίμου.Ένα ηλεκτρικό ρεύμα ρέει στην πλευρά της ανόδου μέτρησης και έξω από την κάθοδο.Μια κυψέλη καυσίμου ανταλλαγής πρωτονίων παραδίδει αέριο υδρογόνου στην πλευρά της ανόδου μέτρησης, η οποία χωρίζει τα άτομα υδρογόνου σε ηλεκτρόνια και πρωτόνια, μια διαδικασία που μπορεί να αποδειχθεί από μια εξίσωση: Η2 - 2Ε- + 2Η +.Τα πρωτόνια σε αυτή την αντίδραση ταξιδεύουν μέσω του MEA στην πλευρά της καθόδου και τα ηλεκτρόνια περνούν στην πλευρά της καθόδου μέτρησης μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος.Ο συνδυασμός αυτών των διαδικασιών δημιουργεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Η κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων παρέχει επίσης αέριο οξυγόνου στην πλευρά της καθόδου του MEA.Εάν τα μόρια του διατομικού οξυγόνου (Ο2) μπορούν να χωριστούν σε άτομα οξυγόνου, τα πρωτόνια που ταξιδεύουν μέσω του ΜΕΑ μπορούν να αντιδράσουν με αυτά τα άτομα οξυγόνου για να σχηματίσουν μόρια νερού.Αυτή η αντίδραση μπορεί επίσης να αποδειχθεί από μια εξίσωση: O + 2H + + 2e - H
2O. Το MEA πρέπει να πληροί διάφορα κριτήρια για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.Δεν μπορεί να επιτρέψει στο υδρογόνο ή το αέριο οξυγόνου να ταξιδεύει μέσω του.Το MEA πρέπει επίσης να είναι σε θέση να αντισταθεί στην οξειδωτική επίδραση στην πλευρά της ανόδου και στο μειωμένο αποτέλεσμα στην πλευρά της καθόδου.Ωστόσο, η διάσπαση μορίων οξυγόνου με καταλύτες πλατίνας παράγει σημαντικές ηλεκτρικές απώλειες.Ένα πρόσθετο πρόβλημα με τους καταλύτες της πλατίνας είναι ότι μια πολύ μικρή ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα θα υποβαθμίσει σημαντικά την απόδοσή τους.Οι επιστήμονες δεν είχαν ανακαλύψει έναν πρακτικό καταλύτη για τη διάσπαση μορίων οξυγόνου από το 2010, αλλά ένας καταλύτης που αποτελείται από άνθρακα, σίδηρο και άζωτο είχε δείξει την μεγαλύτερη υπόσχεση.Η πρωταρχική δυσκολία με αυτόν τον καταλύτη είναι ότι ο ρυθμός αντίδρασης του μειώνεται γρήγορα σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Το νερό προκαλεί επίσης ηλεκτρικές απώλειες σε κυψέλη καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων.Η κυψέλη καυσίμου πρέπει να εμποδίζει την υπερβολική πλημμύρα του νερού, αλλά επιτρέπει αρκετό νερό για να κρατήσει το MEA να στεγνώσει.Η διαχείριση των υδάτων σε μια κυψέλη καυσίμου ανταλλαγής πρωτονίων είναι δύσκολη, επειδή το νερό προσελκύεται από την κάθοδο πλευρά του MEA.Οι ηλεκτροκατικές αντλίες είναι μια πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα.