Proton Değişim Membranı

Proton exchange veya polimer elektrolit membran (PEM), genellikle iyonomerlerden yapılmış, protonları iletirken aynı zamanda oksijen ve hidrojen gazı gibi bir elektronik yalıtkan ve reaktan bariyeri görevi görecek şekilde tasarlanmış yarı geçirgen bir membrandır. Bir proton değişim membranın temel işlevi şudur: reaktanların ayrılması ve membran boyunca doğrudan bir elektronik yolu bloke ederken protonların taşınması.
PEM'ler, saf polimer veya kompozit membranlardan yapılabilir. En yaygın ve ticari olarak temin edilebilen malzemelerden biri, bir DuPont ürünü olan floropolimer (PFSA) Nafiondur. Nafion, Teflon gibi perflorlu bir omurgaya sahip bir iyonomer olsa da, proton değişim zarları için iyonomerler yapmak için kullanılan birçok başka yapısal motif vardır. Birçoğu poliaromatik polimerler kullanırken diğerleri kısmen florlu polimerler kullanır.
Proton değişim membranları temel olarak proton iletkenliği (σ), metanol geçirgenliği (P) ve termal stabilite ile karakterize edilir.
PEM yakıt pilleri, suyla doyduğunda protonları geçirebilen ancak elektronları iletmeyen katı bir polimer zar kullanır.
Tarih
Proton değişimli ilk membran, 1960'ların başında General Electric Company için çalışan kimyagerler Leonard Niedrach ve Thomas Grubb tarafından geliştirildi. NASA'nın Project Gemini uzay programında kullanılmak üzere bu zarların geliştirilmesine önemli hükümet kaynakları ayrılmıştı. Bir dizi teknik sorun, Gemini 1-4 görevleri için proton değişim membranlı yakıt hücrelerinin kullanımından piller lehine vazgeçmesine neden oldu. Sonraki tüm Gemini görevlerinde geliştirilmiş bir General Electric PEM yakıt hücresi nesli kullanıldı, ancak sonraki Apollo görevleri için terk edildi. Günümüzde en yaygın kullanılan proton değişimli membran malzemesi olan florlu iyonomer Nafion, DuPont plastik kimyageri Walther Grot tarafından geliştirildi. Grot ayrıca bir elektrokimyasal ayırıcı membran olarak kullanışlılığını da gösterdi.
Manchester Üniversitesi'nden Andre Geim, materyalden yalnızca protonların geçmesine izin veren atom kalınlığındaki grafen ve bor nitrür tek tabakaları hakkında ilk sonuçları 2014 yılında yayınladı.
Yakıt hücresi
PEMFC'ler, katı oksit yakıt hücreleri (SOFC) gibi diğer türlere göre bazı avantajlara sahiptir. PEMFC'ler daha düşük bir sıcaklıkta çalışabilir, daha hafif ve daha kompakttır, bu da onları araba gibi uygulamalar için ideal kılar. Bazı dezavantajlar şunlardır: SOFC'lerde olduğu gibi ~80 C çalışma sıcaklığı kojenerasyon için çok düşüktür ve PEMFC'ler için elektrolitin suya doymuş olması gerekir. Bununla birlikte, Toyota Mirai de dahil olmak üzere bazı yakıt hücreli arabalar, hızlı su üretimine ve ince zarlardan yüksek geri difüzyon hızına dayanarak nemlendiriciler olmadan çalışırlar.
Yüksek sıcaklıktaki PEMFC'ler 100 C ile 200 C arasında çalışır, elektrot kinetiği ve ısı yönetiminde potansiyel olarak faydalar sağlar ve yakıt safsızlıklarına, özellikle de reformattaki CO'e karşı daha iyi tolerans sunar. Bu iyileştirmeler potansiyel olarak daha yüksek genel sistem verimliliğine yol açabilir. Bununla birlikte, altın standart perflorlu sülfonik asit (PFSA) membranları, hidrasyon ~% 100'ün altına düşerse 100 C ve üzerinde hızla işlevini kaybeder. Sonuç olarak uygun PEM'lerin geliştirilmesi için protik organik iyonik plastik kristaller (POIPC'ler) ve protik iyonik sıvılar gibi yeni susuz proton iletkenleri üzerinde çalışmalar devam ediyor.
PEMFC'nin yakıtı hidrojen ve yük taşıyıcısı hidrojen iyonudur (proton). Anotta, hidrojen molekülü hidrojen iyonları ve elektronlara ayrılır. Hidrojen iyonları elektrolit boyunca katoda nüfuz ederken, elektronlar harici bir devreden akar ve elektrik gücü üretir. Oksijen, genellikle hava şeklinde, katoda verilir ve su üretmek için elektronlar ve hidrojen iyonları ile birleşir. Elektrotlardaki reaksiyonlar aşağıdaki gibidir:
Anot reaksiyonu:
2H2 - 4H+ + 4e-
Katot reaksiyonu:
O2 + 4H+ + 4e- - 2H2O
Genel hücre reaksiyonu:
2H2 + O2 - 2H2O + ısı + elektrik enerjisi
Teorik ekzotermik potansiyel genel olarak +1,23 V'dir.
Uygulamalar
Proton değişim membranlarının ilk uygulaması PEM yakıt hücreleridir. Bu yakıt hücreleri, havacılık, otomotiv ve enerji endüstrileri dahil olmak üzere çok çeşitli ticari ve askeri uygulamalara sahiptir.
İlk PEM uygulamaları, uzay endüstrisine odaklanmıştı. Pillere kıyasla o zamanlar daha yüksek olan yakıt hücrelerinin kapasitesi, onları ideal hale getirdi, çünkü NASA'nın Gemini Projesi, daha önce denenmiş olandan daha uzun süreli uzay görevlerini hedeflemeye başlamıştı.
Otomotiv endüstrisinin yanı sıra kişisel ve kamusal enerji üretimi, günümüzde proton değişim membranlı yakıt hücreleri için en büyük pazarlardır. PEM yakıt hücreleri, nispeten düşük çalışma sıcaklıkları ve donma noktasının altındaki koşullarda bile hızla çalışmaya başlama yetenekleri nedeniyle otomotiv uygulamalarında popülerdir. Mart 2019 itibarıyla ABD yollarında 6.558 yakıt hücreli araç vardı ve en popüler model Toyota Mirai idi. Kaliforniya, hidrojen yakıt istasyonlarında 43 ile Amerika Birleşik Devletleri'ne liderlik ediyor. PEM yakıt hücreleri, teknolojiye dayalı forkliftler tedarik eden Ballard Power Systems ile diğer ağır makine türlerinde de başarılı bir uygulama gördü. Otomotiv PEM teknolojisinin karşılaştığı birincil zorluk hidrojenin güvenli ve verimli depolanmasıdır.
PEM elektrolizi, suyu hidrojen ve oksijen gazına ayrıştırmak için proton değişim membranlarının kullanıldığı bir tekniktir. Proton değişim zarı, üretilen hidrojenin oksijenden ayrılmasına izin vererek her iki ürünün de gerektiği gibi kullanılmasına izin verir. Bu süreç, ABD ve Kraliyet Donanması denizaltıları gibi gemilerdeki yaşam destek sistemleri için hidrojen yakıtı ve oksijen üretmek için kullanılmıştır. Yakın tarihli bir örnek, Québec'te 20 MW'lık bir Air Liquide PEM elektrolizör fabrikasının inşasıdır. Endüstriyel ozon üretimi için benzer PEM tabanlı cihazlar mevcuttur.