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Cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC)

1960
  • Willard Thomas Grubb
  • Leonard Niedrach
Cella a combustibile a membrana a scambio protonico in ambiente di laboratorio, a dimostrazione della tecnologia di conversione energetica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Una membrana a scambio protonico Cella a combustibile Le celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) utilizzano una membrana polimerica solida, come il Nafion, come elettrolita. Questa membrana conduce selettivamente i protoni (H+) dall'anodo al catodo. Le PEMFC operano a basse temperature (tipicamente 50-100 °C), consentendo un avvio rapido e un design compatto. Richiedono idrogeno ad elevata purezza come combustibile per evitare l'avvelenamento dei catalizzatori a base di platino.

The heart of the PEMFC is the membrane electrode assembly (MEA), which consists of the proton-exchange membrane sandwiched between two catalyst-coated electrodes. At the anode, hydrogen gas is split into protons and electrons: [latex]H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-[/latex]. The solid polymer membrane, which is an electrical insulator, allows only the protons to pass through to the cathode. The electrons are forced to travel through an external circuit, generating the electrical current. At the cathode, oxygen from the air, the protons from the membrane, and the electrons from the external circuit combine to form water: [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

A critical aspect of PEMFC operation is water management. The membrane must remain hydrated to maintain its proton conductivity, but excess water at the cathode (product water) can block the flow of oxygen to the catalyst sites, a phenomenon known as ‘flooding’. The low operating temperature makes PEMFCs susceptible to catalyst poisoning, particularly from carbon monoxide (CO) present in reformed hydrogen, which binds strongly to the platinum catalyst sites. This necessitates the use of very pure hydrogen fuel, increasing operational costs.

UNESCO Nomenclature: 3305
Tecnologia energetica

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • invenzione della cella a combustibile da parte di William Grove (1838)
  • sviluppo della prima membrana polimerica a scambio ionico, Nafion, da parte di Walther Grot presso DuPont (fine anni '60)
  • ricerca sulle proprietà catalitiche del platino

Applicazioni

  • sistemi di propulsione per veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV) come la Toyota Mirai e la Hyundai Nexo
  • unità di alimentazione di riserva per infrastrutture critiche
  • generatori di corrente portatili per uso ricreativo e militare
  • veicoli per la movimentazione dei materiali come carrelli elevatori
  • fonti di energia per la sonda spaziale del Progetto Gemini della NASA

Brevetti:

  • US2913511A (Willard T. Grubb, 1959)

Idee e potenziali innovazioni

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Correlato a: PEMFC, membrana a scambio protonico, Nafion, catalizzatore, platino, combustibile a idrogeno, assemblaggio membrana-elettrodo, bassa temperatura, settore automobilistico, General Electric.

Contesto storico

Cella a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC)

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1963
1965-12-21
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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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