Una cella a combustibile con membrana a scambio protonico (PEMFC) è una cella a combustibile che utilizza idrogeno e ossigeno per liberare energia elettrica. La sua caratteristica distintiva è una membrana elettrolitica chiamata assemblaggio di elettrodi a membrana (MEA) che consente il passaggio di protoni ma non di elettroni. Una cella a combustibile con membrana a scambio protonico ha potenziali applicazioni sia come cella a combustibile fissa che portatile.
Un MEA ha un lato anodo e un lato catodo. Una corrente elettrica fluisce nel lato dell’anodo del MEA e fuori dal suo lato del catodo. Una cella a combustibile con membrana a scambio protonico fornisce gas idrogeno al lato anodo del MEA, che divide gli atomi di idrogeno in elettroni e protoni, un processo che può essere mostrato da un’equazione: H2 -> 2e- + 2H+. I protoni in questa reazione viaggiano attraverso il MEA al suo lato catodico e gli elettroni passano al lato catodico del MEA attraverso un circuito esterno. La combinazione di questi processi crea una corrente elettrica.
Una cella a combustibile con membrana a scambio protonico fornisce anche gas ossigeno al lato del catodo del MEA. Se le molecole di ossigeno biatomico (O2) possono essere scisse in atomi di ossigeno, i protoni che viaggiano attraverso la MEA possono reagire con questi atomi di ossigeno per formare molecole d’acqua. Questa reazione può anche essere mostrata da un’equazione: O + 2H+ + 2e- -> H2O.
Il MEA deve soddisfare diversi criteri per produrre elettricità. Non può permettere che l’idrogeno o l’ossigeno lo attraversino. Il MEA deve anche essere in grado di resistere all’effetto ossidativo sul lato anodico e all’effetto riducente sul lato catodico.
I catalizzatori al platino possono essere utilizzati per dividere le molecole di idrogeno con relativa facilità. La scissione delle molecole di ossigeno con catalizzatori al platino, tuttavia, produce significative perdite elettriche. Un ulteriore problema con i catalizzatori al platino è che una quantità molto piccola di anidride carbonica degraderà significativamente le loro prestazioni. Gli scienziati non avevano scoperto un catalizzatore pratico per scindere le molecole di ossigeno a partire dal 2010, ma un catalizzatore composto da carbonio, ferro e azoto aveva mostrato le maggiori promesse. La difficoltà principale con questo catalizzatore è che la sua velocità di reazione diminuisce rapidamente in un breve periodo di tempo.
L’acqua provoca anche perdite elettriche in una cella a combustibile con membrana a scambio protonico. La cella a combustibile deve impedire all’acqua in eccesso di inondare il MEA, ma lasciare abbastanza acqua per evitare che il MEA si secchi. La gestione dell’acqua in una cella a combustibile con membrana a scambio protonico è difficile, perché l’acqua è attratta dal lato del catodo del MEA. Le pompe elettroosmotiche sono una possibile soluzione a questo problema.