Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów

Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów, PEMFC (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell), też ogniwo paliwowe z polimerowym elektrolitem, PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) – to rodzaj ogniwa paliwowego. PEMFC są stosowane powszechnie w przemyśle transportowym (pojazdy mechaniczne). Charakteryzują się niską temperaturą pracy, krótkim czasem rozruchu, niewielką masą oraz gabarytami w porównaniu z innymi ogniwami. Obecnie zastosowania idą w kierunku związanym z wykorzystaniem tych ogniw do napędzania autobusów i samochodów. Jako źródła wytwarzania energii, umożliwiają osiągnięcie mocy ok. 200 kW przy sprawności rzędu 34%.

Po raz pierwszy elektrolit w postaci membrany przepuszczającej kationy zastosowali w 1959 r. William T. Grubbs i Lee Niedrach z General Electric.

Natomiast po raz pierwszy w praktyce ogniwa PEMFC zostały zastosowane w 1960 r. w ramach programu NASA Gemini. Ich parametry były następujące: gęstość wytwarzanego prądu elektrycznego 37 mA/cm², napięcie na pojedynczym ogniwie 0,78 V, ciśnienie 0,2 MPa i temperatura pracy 50 °C. Stos zbudowany z 32 ogniw, przy napięciu 25 V, osiągał sprawność ok. 50% (H₂/O₂).

Budowa i zasada działania

Etapy pracy ogniwa PEMFC
1. Absorpcja cząsteczki tlenu na katodzie i 2 cząsteczek wodoru na anodzie.
2. Redukcja cząsteczki tlenu do 2 anionów O₂- i utlenienie 2 cząsteczek wodoru do 4 kationów H⁺.
3. Migracja 4 protonów przez elektrolit.
4. Rekombinacja jonów O₂- i H⁺ do 2 cząsteczek wody w obszarze katodowym.

Elektrolitem w ogniwie PEMFC jest prefluorowany polimer zawierający silnie kwasowe grupy sulfonowe, np. nafion. Uformowany jest on w membranę pokrytą porowatą platyną, działającą jako katalizator. Elektrody stanowią dwa arkusze grafitowanego papieru, teflonowane na zewnątrz. Całość jest sprasowana w podwyższonej temperaturze na grubość 1 mm. Kanalikami w elektrodach są doprowadzane substraty i jest odprowadzana woda lub para wodna. Parametry pracy ogniwa są następujące:

• temperatura 70–150 °C,
• ciśnienie 0,1–1,0 MPa.

Ogniwa te są wrażliwe na obecność CO, który "zatruwa" platynę.

Elektrochemiczne reakcje zachodzące w ogniwie z polimerową membraną są następujące:

Katoda: O₂ + 4e⁻ + 4H⁺ → 2H₂O

Anoda: 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻

Zalety ogniw PEMFC to:

• bezpieczna praca (stały elektrolit),
• niska temperatura eksploatacji,
• łatwy rozruch i wysoka gęstość prądu.

Wadą tych ogniw jest:

• wrażliwość na zanieczyszczenie gazów wlotowych tlenkiem węgla (CO), który zatruwa katalizator platynowy.

Bibliografia

• Lewandowski, Witold M. Proekologiczne odnawialne źródła energii. WNT, W-wa 2006

Linki zewnętrzne

Polimerowe superjonowe membrany do ogniw paliwowych