Salute e malattia
Una membrana a scambio protonico è un foglio super sottile di polimero specializzato che agisce come una membrana selettivamente permeabile per il movimento dei protoni in una singola direzione. Per ottenere questo tipo di permeabilità selettiva, la membrana è costruita da un tipo di polimero noto come ionomeri. In condizioni accettabili, questa membrana a scambio protonico o membrana elettrolitica polimerica (PEM) permetterà solo il passaggio di protoni, bloccando completamente l'accesso ad altri ioni e molecole gassose come idrogeno o ossigeno.
La natura semipermeabile di questa membrana è il risultato della sua combinazione di unità. La maggioranza consiste di unità ricorrenti elettricamente neutre, mentre il resto sono unità cariche. Di conseguenza, questi polimeri specifici o ionomeri mostrano un cambiamento di viscosità con un aumento di temperatura. Gli ionomeri usati per PEM possono essere prodotti sia fondendo materiali speciali in una matrice polimerica che prendendo polimeri puri. Un ionomero perfluorinato usato ampiamente per la produzione di PEM è Nafion. I diritti sulla formulazione di Nafion sono esclusivamente di DuPont.
La membrana a scambio protonico forma una parte integrale della tecnologia delle fuel cell odierne e, se di successo, può alimentare le nostre case nei giorni a venire. La sua azione fondamentale nella produzione di elettroni all'interno della cella è mantenere forma e selettività per evitare il movimento incrociato di gas. Infatti, la tecnologia prende il nome di proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) dalla membrana semipermeabile. La costruzione base può essere distribuita in quattro sezioni principali.
L'elettrodo negativo o anodo nella cella controlla il movimento degli elettroni una volta che sono stati liberati dalle molecole di idrogeno. L'elettrodo positivo o catodo ha una superficie incisa per permettere un maggiore accesso dell'ossigeno al catalizzatore. Il catalizzatore è un materiale speciale come il platino che non prende parte al processo di reazione ma lo regola indirettamente. Infine, la PEM agisce come un elettrolita, a parte essere un mezzo selettivo durante la reazione.
Il gas idrogeno entra attraverso l'anodo, e il suo stato pressurizzato lo spinge sul catalizzatore, che a sua volta aiuta a ionizzare l'atomo di idrogeno rilasciando elettroni da esso. Questi elettroni fanno funzionare il motore elettrico. Al completamento del compito, vengono restituiti al catodo. All'altra estremità, il gas ossigeno viene passato al catalizzatore attraverso il catodo. L'ionizzazione dell'ossigeno attira l'idrogeno già positivamente ionizzato a viaggiare attraverso la PEM all'altro lato per combinarsi con gli ioni ossigeno e formare acqua.
Una tipica reazione elettrolitica genera un piccolo potenziale di circa 0,7 volt. Per aumentare il potenziale elettrico a un valore pratico, le fuel cell vengono combinate insieme per formare uno stack. La connessione tra due fuel cell è stabilita tramite piastre di conduzione o piastre bipolari. Tipicamente, queste piastre passano attraverso molte reazioni di ossidazione e riduzione da entrambi i lati. Pertanto, le piastre sono fatte di grafite e altri compositi per mantenere la stabilità nel tempo.
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