Protoninvaihtokalvon polttokenno (PEMFC) on polttokenno, joka käyttää vetyä ja happea vapauttaakseen sähköenergiaa. Sen erottuva piirre on elektrolyyttikalvo, jota kutsutaan membraanielektrodikokoonpanoksi (MEA), joka mahdollistaa protonien, mutta ei elektronien, kulkemisen. Protoninvaihtomembraanin polttokennolla on mahdollisia sovelluksia sekä kiinteänä että kannettavana polttokennona.
MEA: ssa on anodipuoleinen ja katodipuoli. Sähkövirta virtaa MEA: n anodipuolelle ja katodipuolelle. Protoninvaihtomembraanin polttokenno toimittaa vetykaasua MEA: n anodipuolelle, joka jakaa vetyatomit elektroneiksi ja protoneiksi, prosessi, joka voidaan esittää yhtälöllä: H2 -> 2e- + 2H +. Tämän reaktion protonit kulkevat MEA: n läpi sen katodipuolelle ja elektronit kulkevat MEA: n katodipuolelle ulkoisen piirin kautta. Näiden prosessien yhdistelmä luo sähkövirran.
Protoninvaihtokalvon polttokenno toimittaa myös happikaasua MEA: n katodipuolelle. Jos kaksiatomisen hapen (O2) molekyylit voidaan jakaa happiatomeiksi, MEA: n läpi kulkevat protonit voivat reagoida näiden happiatomien kanssa muodostaen vesimolekyylejä. Tämä reaktio voidaan osoittaa myös yhtälöllä: O + 2H + + 2e- -> H2O.
MEA: n on täytettävä useita kriteerejä sähkön tuottamiseksi. Se ei voi antaa vedyn tai happikaasun kulkea sen läpi. MEA: n on myös kyettävä vastustamaan oksidatiivista vaikutusta anodipuolella ja pelkistävää vaikutusta katodipuolella.
Platinakatalyyttejä voidaan käyttää vetymolekyylien jakamiseen suhteellisen helposti. Hapen molekyylien jakaminen platinakatalysaattoreilla aiheuttaa kuitenkin merkittäviä sähköhäviöitä. Lisäongelma platinakatalysaattoreissa on se, että hyvin pieni määrä hiilidioksidia heikentää merkittävästi niiden suorituskykyä. Tutkijat eivät olleet löytäneet käytännöllistä katalysaattoria happimolekyylien jakamiseen vuodesta 2010, mutta hiilestä, raudasta ja typestä koostuva katalyytti oli osoittautunut lupaavimmaksi. Tämän katalyytin ensisijainen vaikeus on, että sen reaktionopeus laskee nopeasti lyhyen ajan kuluessa.
Vesi aiheuttaa myös sähköhäviöitä protoninvaihtomembraanin polttokennossa. Polttokennon on estettävä ylimääräisen veden tulviminen MEA: han, mutta sen on annettava riittävästi vettä, jotta MEA ei kuivu. Veden hallinta protoninvaihtomembraanipolttokennossa on vaikeaa, koska vesi vetää puoleensa MEA: n katodipuolelle. Sähköosmoottiset pumput ovat yksi mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan.