Polymer Elektrolytt Membran Brenselceller - PEMFC

Polymer Elektrolytt Membran Brenselceller blir også kalt protonutvekslingsmembran brenselceller (PEFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Som navnet avslører benytter de polymer membraner som elektrolytt, hvor protoner transporteres fra anoden til katoden. De fleste membraner er basert på en sulfonert fluorpolymer, f.eks. poly-tetrafluoroethylene (PTFE), som er kjemisk inert i et reduserende og oksiderende miljø. Membranen i seg selv er i de fleste tilfeller den begrensende komponenten når det gjelder temperatur. Maksimal driftstemperatur er vanligvis rundt 120-130°C for PTFE baserte membraner, men temperaturer over 200°C er mulig med andre typer membraner, f. eks. poly-benzimidasol (PBI). På grunn av den lave temperaturen er det nødvendig med edelmetall-katalysatorer på elektrodene. Mest vanlig er platina (Pt) og ruthenium (Ru). Ren hydrogen eller reformert hydrogen fra fossile kilder (f. eks. naturgass) fødes til anoden mens katoden opererer på oksygen fra luft. De elektrokjemiske oksidasjons- og reduksjonsreaksjonene av henholdsvis hydrogen og oksygen er vist nedenfor:

Anodisk oksidasjon av hydrogen:  

H2 2H+ + 2e-

Katodisk reduksjon av oksygen:  

½O2 + 2H+ + 2e- H2O

Fullstendig PEMFC reaksjonsligning:  

H2 + ½O2 H2O

I tillegg til det vannet som blir produserte på katoden, transporteres vann også gjennom membranen sammen med protoner fra anoden til katoden. Dette kan føre til at luftkanalene blir fylt med vann (også kalt ”flooding”). Siden protontransporten gjennom membranen er veldig avhengig av vanninnholdet i membranen, er fukting og kontroll av fuktighet i PEMFC et viktig tema. Polymer elektrolytt membran brenselceller kan brukes i alle typer systemer, fra små bærbar elektronikk og motoriserte kjøretøy opp til store stasjonære kraftverk. Hovedfordelene er den lave driftstemperaturen, hurtig oppstart, høy effekttetthet og relativt enkle systemer.

1 kW bærbar PEMFC, Ballard.

25 W bærbar DMFC, Smart Fuel Cell.

Graphite bipolare plater, Schunk.

PEMFC kan også operere på en blanding av metanol og vann og kalles da en direkte metanol brenselcelle (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC). Metanol blir enten tilført som væske eller gass, oftest avhengig av arbeidstemperatur og applikasjon. En av ulempene med DMFC er den mer kompliserte og langsomme oksidasjonen av metanol sammenlignet med hydrogen. Ruthenium brukes som en bi-katalysator på anoden for å forhindre karbonmonoksid- forgiftning av elektroden. Elektrodereaksjonene er vist nedenfor:

Anodisk oksidasjon av metanol:  

CH3OH + H2O CO2 + 6H+ + 6e-

Katodisk reduksjon av oksygen:  

1½O2 + 6H+ + 6e- 3H2O 

Fullstendig DMFC reaksjonsligning:  

CH3OH + 1½O2 CO2+ 2H2O

Likheten i fysikalske egenskaper mellom metanol og vann fører til en lekkasje av metanol gjennom membranen fra anoden til katoden. Denne effekten, også kalt metanol crossover, resulterer i et blandepotensial på katoden og dermed en reduksjon av den totale cellespenningen. På grunn av dette og den mye tregere oksidasjonen av metanol er effekttettheten for en DMFC lavere sammenlignet med en hydrogenfødet PEMFC. Men, sikker lagring drivstoff med høy energitetthet (flytende metanol) og enkel systemdesign, gjør at DMFC er attraktive som alternativer for oppladbare batterier til bærbare applikasjoner.

Mobiltelefon DMFC-konsept, Motorola.

DMFC mobiltelefonlader, ZSW.

Necar 5, PEMFC med metanolreformer, Daimler Chrysler.

Større PEMFC enheter er vanligvis utstyrt med en reformer å omdanne fossilt brensel til hydrogen. Etter denne prosessen inneholder gassen visse andeler karbonoksider og sulfider, som alle reduserer effekten til brenselceller. Karbonmonoksid (CO) for eksempel, adsorberes på katalysator partiklene og blokkerer dermed for videre hydrogen tilgang. For å minimere denne negative effekten bør andelen CO i fødegassen være mindre enn 100-200 ppm. Høytemperatur PEMFC er mindre ømfintlig for CO hvor flere tusen ppm tolereres. For brenselcellesystemer er det derfor forskning på flere komponenter, f.eks. reformere og rensesystemer i tillegg til CO-tolerante katalysatorer.

Nexa modul 1 kW, Ballard.

1 kW PEMFC system, ZSW. 

1 kW PEMFC system, PSI. 

 

Til toppen

 

 

Copyright © 2004-2005 Fuel Cell Norway ANS