Jabarkan Sel bahan bakar dari Membran penukar proton

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 elektrode 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: