Топливный элемент с протонообменной мембраной
Топливные элементы с протонообменной мембраной ( PEMFC ), также известные как топливные элементы с полимерно-электролитной мембраной (PEM), представляют собой тип топливных элементов , разрабатываемых в основном для транспортных применений, а также для стационарных топливных элементов и портативных топливных элементов. . Их отличительными особенностями являются более низкие диапазоны температуры/давления (от 50 до 100 °C) и специальная мембрана из полимерного электролита, проводящего протоны. PEMFC генерируют электроэнергию и работают по принципу, противоположному электролизу PEM , который потребляет электроэнергию. Они являются ведущим кандидатом на замену устаревшей технологии щелочных топливных элементов , которая использовалась вКосмический шаттл . [1]
ПОМТЭ построены из мембранных электродных сборок (МЭА), которые включают электроды, электролит, катализатор и газодиффузионные слои. Чернила из катализатора, угля и электрода распыляются или наносятся на твердый электролит, а копировальная бумага подвергается горячему прессованию с обеих сторон для защиты внутренней части элемента, а также действует как электроды. Ключевой частью ячейки является граница трех фаз (TPB), где смешиваются электролит, катализатор и реагенты и, таким образом, где фактически происходят реакции ячейки. [2] Важно отметить, что мембрана не должна быть электропроводной, чтобы полуреакции не смешивались. Желательна рабочая температура выше 100 °C [ нужна ссылка ]таким образом, побочным продуктом воды становится пар, а управление водой становится менее важным при проектировании ячеек.
Топливный элемент с протонообменной мембраной преобразует химическую энергию , высвобождающуюся при электрохимической реакции водорода и кислорода, в электрическую энергию , в отличие от прямого сжигания газообразных водорода и кислорода с получением тепловой энергии .
Поток водорода подается на анодную сторону МЭБ. На стороне анода он каталитически расщепляется на протоны и электроны . Эта реакция полуэлемента окисления или реакция окисления водорода (HOR) представлена:
Новообразованные протоны проникают через мембрану полимерного электролита в сторону катода. Электроны перемещаются по цепи внешней нагрузки к катодной стороне МЭБ, тем самым создавая выходной ток топливного элемента. Тем временем на катодную сторону МЭБ подается поток кислорода. Со стороны катода молекулы кислорода реагируют с протонами, проникающими через мембрану из полимерного электролита, и электронами, поступающими через внешнюю цепь, с образованием молекул воды. Эта полуклеточная реакция восстановления или реакция восстановления кислорода (ORR) представлена:
Обратимая реакция выражается уравнением и показывает повторное включение протонов и электронов водорода вместе с молекулой кислорода и образованием одной молекулы воды. Потенциалы в каждом случае даны относительно стандартного водородного электрода .
