Membran penukar proton
Membran penukar proton, atau membran polimer elektrolit (; PEM), adalah sebuah membran semipermeabel yang secara umum dibuat dari ionomer dan dirancang untuk menghantarkan proton ketika berperan sebagai suatu insulator listrik dan penghalang reaktan, seperti untuk gas oksigen dan hidrogen. Ini merupakan fungsi penting mereka ketika dimasukkan ke dalam membran elektroda perakitan (; MEA) dari sel bahan bakar membran penukar proton atau dari suatu elektroliser membran penukar proton: pemisahan reaktan dan pengangkutan proton sambil menghalau jalur listrik langsung melalui membran.
PEM dapat dibuat dari membran polimer murni atau dari membran komposit, di mana material lain tertanam dalam matriks polimer. Salah satu bahan PEM yang paling umum dan tersedia secara komersial adalah fluoropolimer (PFSA) Nafion, sebuah produk DuPont.
Membran penukar proton terutama ditandai oleh konduktivitas proton (σ), permeabilitas metanol ("P"), dan stabilitas termal.
Sel bahan bakar PEM menggunakan membran polimer padat (film plastik tipis) sebagai elektrolit. Polimer ini dapat diresap ke dalam proton ketika jenuh dengan air, tetapi tidak menghantarkan elektron.
Sel bahan bakar membran penukar proton (; PEMFC) diyakini sebagai jenis sel bahan bakar yang paling menjanjikan untuk bertindak sebagai pengganti sumber tenaga kendaraan untuk mesin pembakaran dalam bensin dan solar. Sel bahan bakar ini sedang dipertimbangkan untuk diaplikasikan pada mobil karena biasanya memiliki suhu operasi yang rendah (~80 °C) dan waktu mulai yang cepat, termasuk dari kondisi beku. PEMFC beroperasi pada efisiensi 40-60% dan dapat memvariasikan output agar sesuai dengan permintaan. Pertama kali digunakan pada 1960-an untuk Proyek Gemini NASA, PEMFC saat ini sedang dikembangkan dan didemonstrasikan dari daya listrik ~100 kW pada mobil hingga pembangkit listrik berdaya 59 MW.
PEMFC memiliki kelebihan dibandingkan jenis sel bahan bakar lainnya seperti sel bahan bakar oksida padat (SOFC). PEMFC beroperasi pada suhu yang lebih rendah, lebih ringan dan lebih kompak, yang membuatnya ideal untuk aplikasi seperti mobil. Namun, beberapa kekurangannya adalah: suhu operasi ~80 °C terlalu rendah untuk kogenerasi seperti di SOFC, dan bahwa elektrolit untuk PEMFC harus jenuh air. Namun, beberapa mobil sel bahan bakar, termasuk Toyota Mirai, yang beroperasi tanpa pengatur kelembaban, mengandalkan pembentukan air yang cepat dan tingkat difusi balik yang tinggi melalui membran tipis untuk menjaga hidrasi membran, serta ionomer di lapisan katalis. PEMFC suhu tinggi beroperasi antara 100 °C dan 200 °C, berpotensi menawarkan manfaat untuk kinetika elektroda dan manajemen panas, dan toleransi yang lebih baik terhadap bahan bakar pengotor, khususnya CO dalam proses reformasi. Peningkatan ini berpotensi dapat menyebabkan efisiensi sistem keseluruhan yang lebih tinggi. Namun, keuntungan ini belum direalisasikan, karena membran asam sulfonat ter-perfluorinasi (; PFSA) standar emas kehilangan fungsi cepat pada 100 °C dan di atas jika hidrasi turun di bawah ~100%, dan mulai merayap di kisaran suhu ini, menghasilkan penipisan lokal dan keseluruhan umur sistem yang lebih rendah. Sebagai hasilnya, konduktor proton anhidrat baru, seperti kristal plastik ionik organik protik (; POIPC) dan cairan ionik protik, secara aktif dipelajari untuk pengembangan PEM yang sesuai.
Bahan bakar untuk PEMFC adalah hidrogen, dan pembawa muatan adalah ion hidrogen (proton). Pada anode, molekul hidrogen dibagi menjadi ion hidrogen (proton) dan elektron. Ion hidrogen mempermeasi melintasi elektrolit ke katode, sementara elektron mengalir melalui sirkuit eksternal dan menghasilkan tenaga listrik. Oksigen, biasanya dalam bentuk udara, dipasok ke katode dan bergabung dengan elektron dan ion hidrogen untuk menghasilkan air. Reaksi pada elektrode adalah sebagai berikut:
Potensial eksotermik teoritisnya adalah +1.23 V secara keseluruhan.
Sel bahan bakar PEM telah digunakan untuk menggerakkan berbagai kendaraan mulai dari mobil hingga drone. 3,000 mobil bertenaga sel bahan bakar akan dijual atau disewakan pada tahun 2016 secara global, dengan 30,000 ditujukan untuk tahun 2017. Ballard Power Systems telah mengembangkan pasar komersial yang benar-benar layak memasok "forklift".