Proton-utveksling membran brenselcelle (forkortet til PEMFC fra engelsk Proton-exchange membrane fuel cells) også kjent som polymerelektrolyttmembran (PEM) brenselcelle, er en type brenselcelle som utvikles hovedsakelig for transportapplikasjoner, så vel som for stasjonære og bærbare brenselcelleapplikasjoner. Deres kjennetegn inkluderer lavere temperatur-/trykkområder (50 til 100 ° C) og en spesiell protonledende polymerelektrolyttmembran. PEMFC produserer elektrisitet og fungerer på det motsatte prinsippet til PEM-elektrolyse, som bruker strøm. De er en ledende kandidat til å erstatte den alkaline brenselcelle-teknologien, som ble brukt i romfergen.^[1]

PEMFC er bygget av membranelektrodesamlinger (MEA) som inkluderer elektroder, elektrolytt, katalysator og gassdiffusjonslag. En pasta av katalysator, karbon og elektrode sprøytes eller males på den faste elektrolytten og karbonpapir er varmpresset på hver side for å beskytte innsiden av cellen og fungerer også som elektroder. Den sentrale delen av cellen er trippelfasegrensen (TPB) der elektrolytten, katalysatoren og reaktantene blandes og dermed hvor cellereaksjonene faktisk oppstår.^[2] Det er viktig at membranen ikke må være elektrisk ledende slik at halvreaksjonene ikke blandes. Driftstemperaturer over 100 ° C er ønsket, slik at vannbiproduktet blir damp og vannhåndtering blir mindre kritisk i celleutforming.

En protonutvekslingsmembranbrenselcelle transformerer den kjemiske energien som frigjøres under den elektrokjemiske reaksjonen av hydrogen og oksygen til elektrisk energi, i motsetning til direkte forbrenning av hydrogen og oksygengasser for å produsere termisk energi.

En strøm av hydrogen leveres til anoden av MEA. På anodesiden er den katalytisk delt i protoner og elektroner. Denne oksidasjonsreaksjonen fra halvceller eller hydrogenoksidasjon (HOR) er representert av:

Ved anoden:

${\displaystyle {\ce {H2 -> 2H+ +2e-))}$

De nydannede protonene gjennomsyrer gjennom polymerelektrolyttmembranen til katodesiden. Elektronene beveger seg langs en ekstern belastningskrets til katodesiden av MEA, og skaper dermed strømutgangen fra brenselcellen. I mellomtiden leveres en oksygenstrøm til katodesiden av MEA. På katodesiden reagerer oksygenmolekyler med protonene som gjennomsyrer polymerelektrolyttmembranen og elektronene kommer gjennom den eksterne kretsen for å danne vannmolekyler. Denne reduksjonshalvcellereaksjonen eller oksygenreduksjonsreaksjonen (ORR) er representert av:

Ved katoden:

${\displaystyle {\ce {1/2 O2 + 2H+ + 2e- -> H2O))}$^[3]

Den generelle reaksjonen blir da:

${\displaystyle {\ce {H2 + 1/2 O2 -> H2O))}$

Den reversible reaksjonen uttrykkes i ligningen og viser reinkorporering av hydrogenprotonene og elektronene sammen med oksygenmolekylet og dannelsen av ett vannmolekyl.

For å fungere, må membranen lede hydrogenioner (protoner), men ikke elektroner, da dette ville "kortslutte" brenselcellen. Membranen må heller ikke la noen av gassene passere til den andre siden av cellen, et problem kjent som gassovergang.^[4][5] Til slutt må membranen være motstandsdyktig mot det reduserende miljøet ved katoden, så vel som det harde oksidative miljøet ved anoden.

Splitting av hydrogenmolekylet er relativt enkelt ved å bruke en platina-katalysator. Dessverre er det imidlertid vanskeligere å dele oksygenmolekylet, og dette medfører betydelige elektriske tap. Et passende katalysatormateriale for denne prosessen er ikke blitt oppdaget, og platina er det beste alternativet.