Proton Değişim Membranı

Vikipedi, özgür ansiklopedi

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.[1][2] Nafion, Teflon gibi perflorlu bir omurgaya sahip bir iyonomer olsa da,[3] 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.[4]

PEM yakıt pilleri, suyla doyduğunda protonları geçirebilen ancak elektronları iletmeyen katı bir polimer zar kullanır.

Tarih[değiştir | kaynağı değiştir]

Leonard Niedrach ve Thomas Grubb, proton değişimli zar teknolojisinin mucitleri.

Proton değişimli ilk membran, 1960'ların başında General Electric Company için çalışan kimyagerler Leonard Niedrach ve Thomas Grubb tarafından geliştirildi.[5] NASA'nın Project Gemini uzay programında kullanılmak üzere bu zarların geliştirilmesine önemli hükûmet kaynakları ayrılmıştı.[6] Bir dizi teknik sorun, Gemini 1-4 görevleri için proton değişim membranlı yakıt hücrelerinin kullanımından piller lehine vazgeçmesine neden oldu.[7] Sonraki tüm Gemini görevlerinde geliştirilmiş bir General Electric PEM yakıt hücresi nesli kullanıldı, ancak sonraki Apollo görevleri için terk edildi.[8] 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.[9]

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.[10][11]

Yakıt hücresi[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[12][13][14]

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[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[8][15]

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.[8]

Otomotiv endüstrisinin yanı sıra kişisel ve kamusal enerji üretimi, günümüzde proton değişim membranlı yakıt hücreleri için en büyük pazarlardır.[16] PEM yakıt hücreleri, nispeten düşük çalışma sıcaklıkları ve donma noktasının altındaki koşullarda bile hızla çalışmaya başlama yetenekleri nedeniyle otomotiv uygulamalarında popülerdir.[17] Mart 2019 itibarıyla ABD yollarında 6.558 yakıt hücreli araç vardı ve en popüler model Toyota Mirai idi.[18] Kaliforniya, hidrojen yakıt istasyonlarında 43 ile Amerika Birleşik Devletleri'ne liderlik ediyor.[19] PEM yakıt hücreleri, teknolojiye dayalı forkliftler tedarik eden Ballard Power Systems ile diğer ağır makine türlerinde de başarılı bir uygulama gördü.[20] Otomotiv PEM teknolojisinin karşılaştığı birincil zorluk hidrojenin güvenli ve verimli depolanmasıdır.[17]

PEM elektrolizi, suyu hidrojen ve oksijen gazına ayrıştırmak için proton değişim membranlarının kullanıldığı bir tekniktir.[21] 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.[8] Yakın tarihli bir örnek, Québec'te 20 MW'lık bir Air Liquide PEM elektrolizör fabrikasının inşasıdır.[22] Endüstriyel ozon üretimi için benzer PEM tabanlı cihazlar mevcuttur.[23]

Kaynakça[değiştir | kaynağı değiştir]

  1. ^ Zhiwei Yang ve diğerleri. (2004). "Novel inorganic/organic hybrid electrolyte membranes" (PDF). Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 49 (2): 599. 28 Nisan 2017 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ağustos 2023. 
  2. ^ US patent 5266421, Townsend, Carl W. & Naselow, Arthur B., "Enhanced membrane-electrode interface", 2008-11-30 tarihinde verildi, assigned to Hughes Aircraft 
  3. ^ Gabriel Gache (17 Aralık 2007). "New Proton Exchange Membrane Developed – Nafion promises inexpensive fuel-cells". Softpedia. 23 Nisan 2008 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 18 Temmuz 2008. 
  4. ^ Nakhiah Goulbourne. "Research Topics for Materials and Processes for PEM Fuel Cells REU for 2008". Virginia Tech. 27 Şubat 2009 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 18 Temmuz 2008. 
  5. ^ Grubb (1 Şubat 1960). "Batteries with Solid Ion‐Exchange Membrane Electrolytes: II . Low‐Temperature Hydrogen‐Oxygen Fuel Cells". Journal of the Electrochemical Society (İngilizce). 107 (2): 131. doi:10.1149/1.2427622. ISSN 1945-7111. 30 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ağustos 2023. 
  6. ^ Young, George J., (Ed.) (1 Ocak 1969). Fuel Cell Systems. Advances in Chemistry (İngilizce). 47. WASHINGTON, D.C.: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. doi:10.1021/ba-1965-0047. ISBN 978-0-8412-0048-7. 21 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ağustos 2023. 
  7. ^ "Barton C. Hacker and James M. Grimwood. On the Shoulders of Titans: A History of Project Gemini. Washington, D. C.: National Aeronautics and Space Administration. 1977. Pp. xx, 625. $19.00". The American Historical Review. April 1979. doi:10.1086/ahr/84.2.593. ISSN 1937-5239. 
  8. ^ a b c d "Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells". americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. 3 Nisan 2005 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Nisan 2021. 
  9. ^ "Fluorinated Ionomers - 2nd Edition". www.elsevier.com. 14 Haziran 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Nisan 2021.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  10. ^ Hu, S. (26 Kasım 2014). "Proton transport through one atom thick crystals". Nature. 516 (7530): 227-30. arXiv:1410.8724 $2. doi:10.1038/nature14015. PMID 25470058. 
  11. ^ Karnik (26 Kasım 2014). "Breakthrough for protons". Nature. 516 (7530): 173-174. doi:10.1038/nature14074. PMID 25470064. 
  12. ^ Jiangshui Luo (2015). "1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells". Energy & Environmental Science. 8 (4): 1276. doi:10.1039/C4EE02280G. 26 Ekim 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ağustos 2023. 
  13. ^ Jiangshui Luo, Olaf Conrad (2013). "Imidazolium methanesulfonate as a high temperature proton conductor" (PDF). Journal of Materials Chemistry A. 1 (6): 2238. doi:10.1039/C2TA00713D. 
  14. ^ Jiangshui Luo (2011). "Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes" (PDF). Journal of Materials Chemistry. 21 (28): 10426-10436. doi:10.1039/C0JM04306K. 
  15. ^ "Could This Hydrogen-Powered Drone Work?". Popular Science. 23 Mayıs 2015. 23 Mayıs 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 7 Ocak 2016. 
  16. ^ Barbir (2008). "Status and development of PEM fuel cell technology". International Journal of Energy Research (İngilizce). 32 (5): 369-378. doi:10.1002/er.1371. ISSN 1099-114X. 
  17. ^ a b Li (23 Nisan 2019). "Review on the research of hydrogen storage system fast refueling in fuel cell vehicle". International Journal of Hydrogen Energy (İngilizce). 44 (21): 10677-10693. doi:10.1016/j.ijhydene.2019.02.208. ISSN 0360-3199. 13 Mayıs 2023 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ağustos 2023. 
  18. ^ "Fact of the Month March 2019: There Are More Than 6,500 Fuel Cell Vehicles On the Road in the U.S." Energy.gov (İngilizce). 9 Nisan 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Nisan 2021. 
  19. ^ "Alternative Fuels Data Center: Hydrogen Basics". afdc.energy.gov. 27 Temmuz 2012 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Nisan 2021. 
  20. ^ "Material Handling - Fuel Cell Solutions | Ballard Power". www.ballard.com. 30 Mayıs 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 19 Nisan 2021. 
  21. ^ Carmo (22 Nisan 2013). "A comprehensive review on PEM water electrolysis". International Journal of Hydrogen Energy (İngilizce). 38 (12): 4901-4934. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151. ISSN 0360-3199. 11 Mayıs 2023 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 3 Ağustos 2023. 
  22. ^ "Air Liquide invests in the world's largest membrane-based electrolyzer to develop its carbon-free hydrogen production". www.newswire.ca. Air Liquide. 25 Şubat 2019. 24 Ocak 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 28 Ağustos 2020. 
  23. ^ [1], "PEM (proton exchange membrane) low-voltage electrolysis ozone generating device", 2011-05-16 tarihinde verildi  3 Ağustos 2023 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
"https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Proton_Değişim_Membranı&oldid=32592986" sayfasından alınmıştır