Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) es una celda de combustible que utiliza hidrógeno y oxígeno para liberar energía eléctrica. Su característica distintiva es una membrana de electrolito llamada conjunto de electrodo de membrana (MEA) que permite el paso de protones pero no de electrones. Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones tiene aplicaciones potenciales como celda de combustible estacionaria y portátil.
Un MEA tiene un lado de ánodo y un lado de cátodo. Una corriente eléctrica fluye hacia el lado del ánodo del MEA y sale por el lado del cátodo. Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones entrega gas hidrógeno al lado del ánodo del MEA, que divide los átomos de hidrógeno en electrones y protones, un proceso que se puede mostrar mediante una ecuación: H2 -> 2e- + 2H +. Los protones en esta reacción viajan a través del MEA a su lado del cátodo, y los electrones pasan al lado del cátodo del MEA a través de un circuito externo. La combinación de estos procesos crea una corriente eléctrica.
Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones también entrega gas oxígeno al lado del cátodo del MEA. Si las moléculas de oxígeno diatómico (O2) se pueden dividir en átomos de oxígeno, los protones que viajan a través del MEA pueden reaccionar con estos átomos de oxígeno para formar moléculas de agua. Esta reacción también se puede mostrar mediante una ecuación: O + 2H + + 2e- -> H2O.
El MEA debe cumplir con varios criterios para producir electricidad. No puede permitir que el hidrógeno o el oxígeno pasen a través de él. El MEA también debe poder resistir el efecto oxidativo en el lado del ánodo y el efecto reductor en el lado del cátodo.
Los catalizadores de platino se pueden usar para dividir moléculas de hidrógeno con relativa facilidad. Sin embargo, la división de moléculas de oxígeno con catalizadores de platino produce pérdidas eléctricas importantes. Un problema adicional con los catalizadores de platino es que una cantidad muy pequeña de dióxido de carbono degradará significativamente su rendimiento. Los científicos no habían descubierto un catalizador práctico para dividir las moléculas de oxígeno en 2010, pero un catalizador compuesto de carbono, hierro y nitrógeno había demostrado ser el más prometedor. La principal dificultad con este catalizador es que su velocidad de reacción cae rápidamente en un corto período de tiempo.
El agua también causa pérdidas eléctricas en una celda de combustible de membrana de intercambio de protones. La celda de combustible debe evitar que el exceso de agua inunde el MEA, pero debe permitir suficiente agua para evitar que el MEA se seque. La gestión del agua en una celda de combustible de membrana de intercambio de protones es difícil, porque el agua es atraída hacia el lado del cátodo del MEA. Las bombas electro osmóticas son una posible solución a este problema.