Wikipedia

Proton-utvekslingsmembran

En proton-utvekslingsmembran, eller polymerelektrolyttmembran (PEM), er en semipermeabel membran som vanligvis er laget av ionomerer og designet for å lede protoner mens den fungerer som en elektronisk isolator og reaktantsperre, f.eks. til oksygen og hydrogengass.[1] Dette er deres vesentlige funksjon når den er innlemmet i en membranelektrodesamling (MEA) av en protonutvekslingsmembranbrenselcelle eller av en protonutvekslingsmembranelektrolysator: separasjon av reaktanter og transport av protoner mens de blokkerer en direkte elektronisk vei gjennom membranen.

PEM kan fremstilles av enten rene polymermembraner eller fra komposittmembraner, der andre materialer er innebygd i en polymermatrise. Et av de vanligste og kommersielt tilgjengelige PEM-materialene er fluorpolymeren (PFSA)[2] Nafion, et DuPont-produkt.[3] Mens Nafion er en ionomer med en perfluorert ryggrad som Teflon,[4] er det mange andre strukturelle motiver som brukes til å lage ionomerer for protonbyttermembraner. Mange bruker polyaromatiske polymerer, mens andre bruker delvis fluorerte polymerer.

Protonutvekslingsmembraner er primært preget av protonkonduktivitet (σ), metanol-permeabilitet (P) og termisk stabilitet.[5]

PEM-brenselceller bruker en solid polymermembran (en tynn plastfilm) som elektrolytt. Denne polymeren er gjennomtrengelig for protoner når den er mettet med vann, men den leder ikke elektroner.

Historie rediger

 
Leonard Niedrach (til venstre) og Thomas Grubb (til høyre), oppfinnere av proton-exchange membranteknologi.

Tidlig proton-utvekslingsmembran teknologi ble utviklet på begynnelsen av 1960-tallet av Leonard Niedrach og Thomas Grubb, kjemikere som jobber for General Electric.[6] Betydelige offentlige ressurser ble viet til studier og utvikling av disse membranene for bruk i NASAs prosjekt Gemini.[7] En rekke tekniske problemer førte til at NASA ga avkall på bruk av proton-utvekslingsmembranbrenselceller til fordel for batterier som gir lavere kapasitet, men mer pålitelig alternativ for Gemini-oppdrag 1-4.[8] En forbedret generasjon av General Electrics PEM-brenselcelle ble brukt i alle påfølgende Gemini-oppdrag, men ble forlatt for de påfølgende Apollo-ekspedisjonene.[9] Den fluorerte ionomeren Nafion, som i dag er det mest brukte proton-utvekslingsmembranmaterialet, ble utviklet av DuPont plastkjemiker Walther Grot. Grot demonstrerte også dens nytte som en elektrokjemisk skillemembran.[10]

I 2014 publiserte Andre Geim ved University of Manchester første resultater på atomtykk monolag av grafen og bornitrid som bare tillot protoner å passere gjennom materialet, noe som gjorde dem til en potensiell erstatning for fluorerte ionomerer som et PEM-materiale.[11][12]

Brenselcelle rediger

PEM-brenselceller har noen fordeler i forhold til andre typer brenselceller som fast oksid brenselceller (SOFC). PEMFC-er fungerer ved en lavere temperatur, er lettere og mer kompakte, noe som gjør dem ideelle for applikasjoner som biler. Noen ulemper er imidlertid: driftstemperaturen ~ 80 °C er for lav for kraftvarmeproduksjon som i SOFC, og at elektrolytten for PEMFC-er må være vannmettet. Imidlertid fungerer noen drivstoffcellebiler, inkludert Toyota Mirai, uten luftfukter, avhengig av rask vannproduksjon og den høye hastigheten av tilbakespredning gjennom tynne membraner for å opprettholde hydrering av membranen, samt ionomeren i katalysatorlagene.

PEMFC-er med høy temperatur opererer mellom 100 °C og 200 °C, noe som potensielt gir fordeler innen elektrodekinetikk og varmestyring, og bedre toleranse for drivstoffurenheter, spesielt CO i reformat. Disse forbedringene kan potensielt føre til høyere samlede systemeffektiviteter. Imidlertid har disse gevinstene ennå ikke blitt realisert, da gullstandard perfluorerte sulfonsyre (PFSA) membraner mister funksjonen raskt ved 100 °C og over hvis hydrering faller under ~ 100%, og begynner å krype i dette temperaturområdet, noe som resulterer i lokalisert tynning og generelt lavere systemlevetid. Som et resultat studeres nye vannfrie protonledere, slik som protiske organiske ioniske plastkrystaller (POIPCs) og protiske ioniske væsker, aktivt for utvikling av egnede PEM.[13][14][15]

Drivstoffet til PEMFC er hydrogen, og ladningsbæreren er hydrogenionet (proton). Ved anoden er hydrogenmolekylet delt i hydrogenioner (protoner) og elektroner. Hydrogenionene gjennomsyrer over elektrolytten til katoden, mens elektronene strømmer gjennom en ekstern krets og produserer elektrisk energi. Oksygen, vanligvis i form av luft, tilføres katoden og kombineres med elektronene og hydrogenionene for å produsere vann. Reaksjonene ved elektrodene er som følger:

Anode reaksjon:

 

Katode reaksjon:

 

Samlet cellereaksjon:

 

Det teoretiske eksoterme potensialet er totalt +1,23 V.

Referanser rediger

  1. ^ Group, Techbriefs Media. «Alternative Electrochemical Systems for Ozonation of Water». www.techbriefs.com (engelsk). Besøkt 28. april 2021. 
  2. ^ Zhiwei Yang (2004). «Novel inorganic/organic hybrid electrolyte membranes» (PDF). Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. Arkivert fra originalen (PDF) 28. april 2017. Besøkt 28. april 2021. 
  3. ^ Townsend, Carl W. & Naselow, Arthur B. «US Patent 5266421 – Enhanced membrane-electrode interface». Besøkt 28. april 2021. 
  4. ^ Gache, Gabriel. «New Proton Exchange Membrane Developed». softpedia (english). Besøkt 28. april 2021. 
  5. ^ «Research Topics for Materials and Processes for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells REU for 2009 | REU Programs | Virginia Tech». web.archive.org. 27. februar 2009. Arkivert fra originalen . Besøkt 28. april 2021. 
  6. ^ Grubb, W. T.; Niedrach, L. W. (1960). «Batteries with Solid Ion-Exchange Membrane Electrolytes». Journal of The Electrochemical Society. 2 (engelsk). 107: 131. doi:10.1149/1.2427622. Besøkt 28. april 2021. 
  7. ^ Young, George J.; Linden, Henry R., red. (1. januar 1969). Fuel Cell Systems. Advances in Chemistry (engelsk). 47. WASHINGTON, D.C.: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. ISBN 978-0-8412-0048-7. doi:10.1021/ba-1965-0047. 
  8. ^ «Barton C. Hacker and James M. Grimwood. On the Shoulders of Titans: A History of Project Gemini. Washington, D. C.: National Aeronautics and Space Administration. 1977. Pp. xx, 625. $19.00». The American Historical Review (engelsk). April 1979. ISSN 1937-5239. doi:10.1086/ahr/84.2.593. Besøkt 28. april 2021. 
  9. ^ «Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells». americanhistory.si.edu. Besøkt 28. april 2021. 
  10. ^ «Fluorinated Ionomers - 2nd Edition». www.elsevier.com. Besøkt 28. april 2021. 
  11. ^ Hu, S.; Lozada-Hidalgo, M.; Wang, F. C.; Mishchenko, A.; Schedin, F.; Nair, R. R.; Hill, E. W.; Boukhvalov, D. W.; Katsnelson, M. I. (Desember 2014). «Proton transport through one-atom-thick crystals». Nature. 7530 (engelsk). 516: 227–230. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature14015. Besøkt 28. april 2021. 
  12. ^ Karnik, Rohit N. (Desember 2014). «Breakthrough for protons». Nature. 7530 (engelsk). 516: 173–174. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/nature14074. Besøkt 28. april 2021. 
  13. ^ Luo, Jiangshui; Jensen, Annemette H.; Brooks, Neil R.; Sniekers, Jeroen; Knipper, Martin; Aili, David; Li, Qingfeng; Vanroy, Bram; Wübbenhorst, Michael (2015). «1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells». Energy & Environmental Science. 4 (engelsk). 8: 1276–1291. ISSN 1754-5692. doi:10.1039/C4EE02280G. Besøkt 28. april 2021. 
  14. ^ Luo, Jiangshui; Conrad, Olaf; Vankelecom, Ivo F. J. (2013). «Imidazolium methanesulfonate as a high temperature proton conductor». J. Mater. Chem. A. 6 (engelsk). 1: 2238–2247. ISSN 2050-7488. doi:10.1039/C2TA00713D. Besøkt 28. april 2021. 
  15. ^ Luo, Jiangshui; Hu, Jin; Saak, Wolfgang; Beckhaus, Rüdiger; Wittstock, Gunther; Vankelecom, Ivo F. J.; Agert, Carsten; Conrad, Olaf (2011). «Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes». Journal of Materials Chemistry. 28 (engelsk). 21: 10426. ISSN 0959-9428. doi:10.1039/c0jm04306k. Besøkt 28. april 2021. 
Hentet fra «https://no.wikipedia.org/w/index.php?title=Proton-utvekslingsmembran&oldid=24291803»