Einleitung
Eine Protonenaustauschmembran ist ein superdünnes Blatt aus speziellem Polymer, das als selektiv durchlässige Membran für die Protonenbewegung in eine Richtung wirkt. Um diese Art von selektiver Durchlässigkeit zu erreichen, besteht die Membran aus einem Polymertyp, der als Ionomer bekannt ist. Unter akzeptablen Bedingungen lässt diese Protonenaustauschmembran oder polymere Elektrolytmembran (PEM) nur den Durchgang von Protonen zu, während sie den Zugang zu anderen Ionen und gasförmigen Molekülen wie Wasserstoff oder Sauerstoff vollständig blockiert.
Ionomer und ihre Rolle in der PEM
- Die halbdurchlässige Beschaffenheit dieser Membran ist das Ergebnis ihrer Kombination aus Einheiten. Die Mehrheit besteht aus elektrisch neutralen sich wiederholenden Einheiten, während der Rest geladene Einheiten sind. Infolgedessen zeigen diese spezifischen Polymere oder Ionomer eine Änderung der Viskosität mit steigender Temperatur. Die für PEM verwendeten Ionomer können entweder durch Verschmelzen spezieller Materialien in eine Polymermatrix oder durch Verwendung reiner Polymere hergestellt werden. Ein weit verbreitet für die PEM-Produktion verwendeter perfluorierter Ionomer ist Nafion. Die Rechte an der Formulierung von Nafion liegen ausschließlich bei DuPont.
Rolle der PEM in der Brennstoffzellentechnologie
- Die Protonenaustauschmembran bildet einen integralen Bestandteil der heutigen Brennstoffzellentechnologie und kann, wenn erfolgreich, in den kommenden Tagen unsere Häuser mit Strom versorgen. Ihre grundlegende Funktion bei der Erzeugung von Elektronen innerhalb der Zelle besteht darin, Form und Selektivität aufrechtzuerhalten, um eine Kreuzbewegung von Gasen zu vermeiden. Tatsächlich ist die Technologie nach der halbdurchlässigen Membran Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) benannt. Der grundlegende Aufbau kann in vier Hauptabschnitte unterteilt werden.
Vier Komponenten der PEMFC
- Die negative Elektrode oder Anode in der Zelle steuert die Bewegung der Elektronen, sobald sie von den Wassermolekülen gelöst sind. Die positive Elektrode oder Kathode hat eine geätzte Oberfläche, um einen größeren Zugang von Sauerstoff zum Katalysator zu ermöglichen. Der Katalysator ist ein spezielles Material wie Platin, das nicht am Reaktionsprozess teilnimmt, diesen aber indirekt reguliert. Schließlich fungiert die PEM als Elektrolyt, zusätzlich zu ihrem als selektives Medium während der Reaktion.
Die Oxidations- und Reduktionsprozesse
- Wassergas tritt durch die Anode ein, und sein pressurisierter Zustand drückt es auf den Katalysator, der wiederum hilft, das Wasserstoffatom zu ionisieren, indem er Elektronen aus ihm freisetzt. Diese Elektronen treiben den Elektromotor an. Nach Abschluss der Aufgabe werden sie zur Kathode zurückgeführt. Am anderen Ende wird Sauerstoffgas durch die Kathode an den Katalysator weitergeleitet. Die Ionisierung von Sauerstoff zieht die bereits positiv ionisierten Wasserstoffatome an, durch die PEM auf die andere Seite zu reisen, um sich mit den Sauerstoffionen zu verbinden und Wasser zu bilden.
Brennstoffzellenparameter und Stabilität
- Eine typische elektrolytische Reaktion erzeugt eine kleine Potentialdifferenz von etwa 0,7 Volt. Um das elektrische Potential auf einen praktischen Wert zu erhöhen, werden Brennstoffzellen zu einem Stapel zusammengeschaltet. Die Verbindung zwischen zwei Brennstoffzellen wird über Leitbleche oder Bipolarbleche hergestellt. Normalerweise durchlaufen diese Bleche auf beiden Seiten viele Oxidations- und Reduktionsreaktionen. Daher werden die Bleche aus Graphit und anderen Verbundwerkstoffen hergestellt, um die Stabilität über die Zeit zu gewährleisten.
