Membran penukar proton
Membran penukar proton, atau membran polimer elektrolit (bahasa Inggris: polymer-electrolyte membrane; 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.[1] Ini merupakan fungsi penting mereka ketika dimasukkan ke dalam membran elektrode perakitan (bahasa Inggris: membrane electrode assembly; 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)[2] Nafion, sebuah produk DuPont. [3] Sedangkan Nafion adalah ionomer dengan tulang punggung ter-perfluorinasi seperti Teflon,[4] terdapat banyak motif struktural lain yang digunakan untuk membuat ionomer untuk membran penukar proton. Banyak yang menggunakan polimer polarikomatik, sementara yang lain menggunakan polimer terfluorinasi sebagian.
Membran penukar proton terutama ditandai oleh konduktivitas proton (σ), permeabilitas metanol (P), dan stabilitas termal.[5]
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
sunting
Sel bahan bakar membran penukar proton (bahasa Inggris: proton-exchange membrane fuel cells; 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 (bahasa Inggris: perfluorinated sulfonic acid; 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 (bahasa Inggris: protic organic ionic plastic crystals; POIPC) dan cairan ionik protik, secara aktif dipelajari untuk pengembangan PEM yang sesuai.[7][8][9]
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:
- Reaksi anode:
- 2H2 → 4H+ + 4e−
- Reaksi katode:
- O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
- Reaksi sel keseluruhan:
- 2H2 + O2 → 2H2O + panas + energi listrik
Potensial eksotermik teoritisnya adalah +1.23 V secara keseluruhan.
Aplikasi komersial
suntingSel bahan bakar PEM telah digunakan untuk menggerakkan berbagai kendaraan mulai dari mobil hingga drone.[10][11] 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.
Lihat pula
sunting
Referensi
sunting- ^ Alternative electrochemical systems for ozonation of water. NASA Tech Briefs (Laporan teknis) (dalam bahasa Inggris). NASA. 20 Maret 2007. MSC-23045. Diakses tanggal 17 Januari 2015.
- ^ Zhiwei Yang; et al. (2004). "Novel inorganic/organic hybrid electrolyte membranes" (PDF). Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. (dalam bahasa Inggris). 49 (2): 599. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2017-04-28. Diakses tanggal 2018-06-17.
- ^ US patent 5266421, Townsend, Carl W. & Naselow, Arthur B., "US Patent 5266421 – Enhanced membrane-electrode interface", dikeluarkan tanggal 30 November 2008, diberikan kepada Hughes Aircraft
- ^ Gabriel Gache (17 Desember 2007). "New Proton Exchange Membrane Developed – Nafion promises inexpensive fuel-cells" (dalam bahasa Inggris). Softpedia. Diakses tanggal 2008-07-18.
- ^ Nakhiah Goulbourne. "Research Topics for Materials and Processes for PEM Fuel Cells REU for 2008" (dalam bahasa Inggris). Virginia Tech. Diarsipkan dari versi asli tanggal 27 February 2009. Diakses tanggal 18 July 2008.
- ^ Kakati, B. K.; Deka, D. (2007). "Effect of resin matrix precursor on the properties of graphite composite bipolar plate for PEM fuel cell". Energy & Fuels (dalam bahasa Inggris). 21 (3): 1681–1687. doi:10.1021/ef0603582.
- ^ Jiangshui Luo; Annemette H. Jensen; Neil R. Brooks; Jeroen Sniekers; Martin Knipper; David Aili; Qingfeng Li; Bram Vanroy; Michael Wübbenhorst; Feng Yan; Luc Van Meervelt; Zhigang Shao; Jianhua Fang; Zheng-Hong Luo; Dirk E. De Vos; Koen Binnemans; Jan Fransaer (2015). "1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells". Energy & Environmental Science (dalam bahasa Inggris). 8. doi:10.1039/C4EE02280G.
- ^ Jiangshui Luo, Olaf Conrad; Ivo F. J. Vankelecom (2013). "Imidazolium methanesulfonate as a high temperature proton conductor". Journal of Materials Chemistry A (dalam bahasa Inggris). 1. doi:10.1039/C2TA00713D.
- ^ Jiangshui Luo; Jin Hu; Wolfgang Saak; Rüdiger Beckhaus; Gunther Wittstock; Ivo F. J. Vankelecom; Carsten Agert; Olaf Conrad (2011). "Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes". Journal of Materials Chemistry (dalam bahasa Inggris). 21: 10426–10436. doi:10.1039/C0JM04306K.
- ^ "Fuel Cell Vehicles" (PDF) (dalam bahasa Inggris). Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2016-03-04.
- ^ "Could This Hydrogen-Powered Drone Work?". Popular Science (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 7 Januari 2016.
Pranala luar
sunting- (Inggris) Baterai elektrolit polimer padat kering Diarsipkan 2011-07-10 di Wayback Machine.
- (Inggris) Program STREP didukung-EC pada elektrolisis air PEM bertekanan tinggi