Протонообменная мембрана или полимерно-электролитная мембрана (ПОМ, ПЭM) - это полупроницаемая мембрана, обычно изготовленная из иономеров и предназначенная для проведения протонов, действуя как электронный изолятор и барьер для реагентов, например кислорода и водорода[1]. Их основная функция при включении в мембранную электродную сборку (МЭС) топливного элемента с протонообменной мембраной или протонообменного мембранного электролизера - разделение реагентов и перенос протонов при блокировании прямого электронного пути через мембрану.
ПЭM могут быть изготовлены либо из чисто полимерных мембран, либо из композитных мембран, где в полимерную матрицу встроены другие материалы. Одним из наиболее распространенных и коммерчески доступных материалов ПEM является полимер перфторсульфоновой кислоты (ПФСК) Нафион. Также в качестве материала для протонообменных мембран используются полиароматические полимеры и частично фторированные полимеры.
Основные характеристики протонообменных мембран - протонная проводимость (σ), проницаемость для метанола (P) и термическая стабильность. Топливные элементы ПЭM используют в качестве электролита твердую полимерную мембрану (тонкую пластиковую пленку). Этот полимер при насыщении водой проницаем для протонов, но не проводит электроны.
Впервые технология протонообменных мембран была разработана в начале 1960-х годов Леонардом Нидрахом и Томасом Граббом, химиками, работающими в компании General Electric.[2] Значительные государственные ресурсы были направлены на изучение и разработку этих мембран для использования в программе космических полетов NASA Gemini.[3] Однако ряд технических проблем заставил НАСА первоначально отказаться от использования топливных элементов с протонообменной мембраной в этой программе..[4]Топливный элемент ПЭM улучшенного исполнения General Electric использовался во всех последующих полётах Gemini, но от него отказались для последующих полётов Apollo. Фторированный иономер Нафион, который сегодня является наиболее широко используемым материалом протонообменных мембран, был разработан химиком DuPont по пластмассам Вальтером Гротом. Грот также продемонстрировал его пользу в качестве мембраны электрохимического сепаратора.[5]
В 2014 году Андре Гейм из Манчестерского университета опубликовал первые результаты исследования монослоев графена и нитрида бора толщиной до атома, которые позволяли проходить через материал только протонам, что делает эти материалы потенциальной заменой фторированных иономеров в качестве материала ПЭM.[6][7]