Protoninvaihtokalvo tai polymeerielektrolyyttikalvo (POM, PEM) on puoliläpäisevä kalvo , joka on yleensä valmistettu ionomeereistä ja suunniteltu johtamaan protoneja ja joka toimii elektronisena eristimenä ja esteenä reagoiville aineille, kuten hapelle ja vedylle [1] . Niiden päätehtävä, kun ne sisällytetään protoninvaihtokalvolla varustetun polttokennon membraanielektrodikokoonpanoon (MEA) tai protoninvaihtokalvoelektrolysaattoriin, on lähtöaineiden erottaminen ja protonien siirto samalla, kun ne estävät suoran elektronireitin kalvon läpi.
PEM:t voidaan valmistaa joko puhtaista polymeerikalvoista tai komposiittikalvoista, joissa muita materiaaleja on upotettu polymeerimatriisiin. Yksi yleisimmistä ja kaupallisesti saatavilla olevista PEM-materiaaleista on perfluorisulfonihappopolymeeri (PFSA) Nafion. Polyaromaattisia polymeerejä ja osittain fluorattuja polymeerejä käytetään myös materiaaleina protoninvaihtokalvoissa.
Protoninvaihtokalvojen tärkeimmät ominaisuudet ovat protonin johtavuus (σ), metanolin läpäisevyys (P) ja lämpöstabiilisuus. PEM-polttokennoissa käytetään kiinteää polymeerikalvoa (ohut muovikalvo) elektrolyyttinä. Tämä polymeeri on vedellä kyllästettynä protoneja läpäisevä, mutta ei johda elektroneja.
Protoninvaihtokalvoteknologian kehittivät ensimmäisen kerran 1960-luvun alussa Leonard Nidrach ja Thomas Grubb, General Electric Companyn kemistit . [2] Näiden kalvojen tutkimiseen ja kehittämiseen on omistettu huomattavia valtion resursseja käytettäväksi NASAn Gemini - avaruuslento-ohjelmassa . [3] Useat tekniset ongelmat saivat kuitenkin NASAn luopumaan protoninvaihtokalvopolttokennojen käytöstä tässä ohjelmassa. [4] General Electricin kehittynyttä FEM-polttokennoa käytettiin kaikilla myöhemmillä Geminin lennoilla, mutta se hylättiin myöhempää käyttöä varten. Apollon lennot . DuPontin muovikemisti Walter Groth on kehittänyt fluoratun ionomeerin Nafionin, joka on nykyään laajimmin käytetty protoninvaihtokalvomateriaali. Grotto osoitti myös käyttökelpoisuutensa sähkökemiallisena erotuskalvona. [5]
Andre Geim Manchesterin yliopistosta julkaisi vuonna 2014 ensimmäiset tulokset atomin paksuisesta grafeenin ja boorinitridin yksikerroksisesta kerroksesta, joka salli vain protonien kulkea materiaalin läpi, mikä tekee näistä materiaaleista potentiaalisen korvaavan fluoratut ionomeerit TEM-materiaalina. [6] [7]
FEMFC:illä on joitain etuja muihin polttokennotyyppeihin, kuten kiinteäoksidipolttokennoihin (SOFC) verrattuna. PEMFC:t toimivat alhaisemmissa lämpötiloissa, ovat kevyempiä ja kompaktimpia, joten ne sopivat ihanteellisesti autosovelluksiin. On kuitenkin myös joitain haittoja: ~80 °C:n käyttölämpötila on liian alhainen tuotantoon, kuten SOFC:ssä, lisäksi PEMFC:n elektrolyytin on oltava vedellä kyllästetty. Jotkut polttokennoajoneuvot kuitenkin toimivat ilman kostuttimia, ja ne ovat riippuvaisia nopeasta vedentuotannosta ja korkeasta takaisindiffuusionopeudesta ohuiden kalvojen läpi kalvon ja ionomeerien hydratoitumisen ylläpitämiseksi katalyyttipedissä.
Korkean lämpötilan FEMFC:t toimivat 100 °C ja 200 °C välillä, mikä saattaa tarjota etuja elektrodien kinetiikassa ja lämmönhallinnassa sekä paremman kestävyyden polttoaineen epäpuhtauksille, erityisesti CO:lle. Nämä parannukset voivat parantaa järjestelmän yleistä tehokkuutta. Näitä etuja ei kuitenkaan ole vielä saavutettu, koska PFAS-kalvot hajoavat nopeasti yli 100 °C:n lämpötiloissa ja alle 100 prosentin hydraatiossa, mikä lyhentää käyttöikää. Tämän seurauksena uusia vedettömiä protonijohtimia, kuten proottisia orgaanisia ioneja sisältävää muovikitettä (POIPC) ja proottisia ionisia nesteitä, tutkitaan käytettäväksi polttokennoissa. [kahdeksan]
PEMFC:n polttoaine on vety ja varauksenkantaja vetyioni (protoni). Anodilla vetymolekyyli jakautuu vetyioneiksi (protoneiksi) ja elektroneiksi. Vetyionit kulkevat elektrolyytin läpi katodille, kun taas elektronit kulkevat ulkoisen piirin läpi ja tuottavat sähköä. Happi, yleensä ilman muodossa, syötetään katodille ja yhdistyy elektronien ja vetyionien kanssa muodostaen vettä. Elektrodien reaktiot ovat seuraavat:
Reaktio anodilla:
2H2 → 4H + + 4e-Katodin reaktio:
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2O
Solun yleinen reaktio:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + lämpö + sähköenergia
Teoreettinen eksoterminen potentiaali on yhteensä +1,23 V.
Protoninvaihtokalvojen pääasiallinen käyttökohde on PEM-polttokennoissa. Näitä polttokennoja käytetään laajasti kaupallisissa ja sotilaallisissa sovelluksissa, mukaan lukien ilmailu-, auto- ja energiateollisuus.
Protoninvaihtokalvopolttokennojen suurimmat markkinat ovat nykyään autoteollisuus sekä sähköntuotanto henkilökohtaiseen ja julkiseen käyttöön. PEM-polttokennot ovat suosittuja autoteollisuudessa suhteellisen alhaisen käyttölämpötilansa ja niiden kyvyn vuoksi käynnistyä nopeasti jopa pakkasen alapuolella. PEM-polttokennoja käytetään menestyksekkäästi myös muuntyyppisissä raskaissa laitteissa, ja Ballard Power Systems toimittaa tähän tekniikkaan perustuvia trukkeja. Autoteollisuuden TEM-teknologian suurin haaste on vedyn turvallinen ja tehokas varastointi, joka on tällä hetkellä intensiivisen tutkimustoiminnan ala.
Polymeerielektrolyyttikalvoelektrolyysi on tekniikka, jolla protoninvaihtokalvoja käytetään hajottamaan vettä vedyksi ja happikaasuksi. Protoninvaihtokalvo mahdollistaa tuotetun vedyn erottamisen hapesta, jolloin molempia tuotteita voidaan käyttää tarpeen mukaan. Tätä prosessia on käytetty vetypolttoaineen ja hapen tuottamiseen elämää ylläpitäville laivoille, kuten Yhdysvaltain laivaston ja kuninkaallisen laivaston sukellusveneisiin. Tuore esimerkki on 20 MW Air Liquide PEM -elektrolysaattorilaitoksen rakentaminen Quebeciin. Vastaavia TEM-pohjaisia laitteita on saatavilla teolliseen otsonin tuotantoon.