Membran Pertukaran Proton Bersuhu Tinggi

Oleh: Yusra Nadzirah Yusoff & Dr Norazuwana Shaari
Institut Sel Fuel, Universiti Kebangsaan Malaysia

Teknologi sel fuel telah mendapat banyak perhatian sejak beberapa tahun kebelakangan ini kerana kecekapannya yang tinggi dan pelepasan yang rendah berikutan kebimbangan yang semakin meningkat terhadap kehabisan tenaga berasaskan petroleum dan perubahan iklim dunia. Sel fuel merupakan peranti elektrokimia yang menukarkan tenaga kimia yang disimpan dalam bahan api seperti hidrogen terus kepada tenaga elektrik. Kecekapan penukaran kuasanya adalah setinggi 60% manakala kecekapan keseluruhan penjanaan bersama adalah setinggi 80%, dan bahan pencemar utama dikurangkan lebih daripada 90% [1]. Terdapat lima jenis sel fuel yang telah menarik perhatian dunia:

(1) Sel fuel membran pertukaran proton atau PEMFC (juga dikenali sebagai PEFC),
(2) Sel fuel metanol langsung (DMFC),
(3) Sel fuel oksida pepejal (SOFC),
(4) Sel fuel alkali (AFC),
(5) Sel fuel asid fosforik (PAFC),
(6) Sel fuel karbonat lebur (MCFC).

PEMFC telah dibina menggunakan membran pertukaran proton (terutamanya Nafion) sebagai konduktor proton dan bahan berasaskan Platinum (Pt) sebagai pemangkin. Ciri penting seperti suhu operasi yang rendah dan ketumpatan kuasa yang tinggi menjadikan PEMFC sebagai calon sumber kuasa generasi seterusnya untuk aplikasi pengangkutan, pegun dan mudah alih. CEA-Liten dengan kerjasama Symbio FCELL, pakar Perancis sistem sel fuel hidrogen, membangunkan generasi plat bipolar baharu, komponen penting untuk operasi elemen sel bahan api seperti dalam Rajah 1(a). Rajah 1(b) menunjukkan rajah skematik bagi PEMFC dengan pergerakan proton melalui membran dari bahagian anod ke katod. PEMFC telah digunakan secara meluas dalam pelbagai aplikasi termasuklah kenderaan sel fuel seperti dalam Rajah 1 (c) yang dibangunkan oleh industri kenderan Amerika Syarikat.

PEMFC yang berkebolehan untuk beroperasi pada suhu tinggi (>100 °C) dan kelembapan rendah dianggap sebagai sistem penukaran tenaga elektrokimia termaju disebabkan oleh beberapa kelebihan seperti tindak balas kinetik elektrod yang pantas, keperluan terhad untuk pemangkin logam berharga (Pt), toleransi CO yang lebih baik dan pengurusan air dan haba yang lebih mudah [2]. Salah satu kaedah untuk merealisasikan aplikasi PEMFC tersebut adalah dengan menggunakan membran pertukaran proton yang mampu beroperasi dalam keadaan suhu tinggi dan kelembapan rendah. Sehingga kini, membran asid perfluorosulfonik asid (PFSA) seperti Nafion dianggap sebagai membran pertukaran proton yang paling berprestasi tinggi, mempunyai ketahanan yang tinggi, penebat elektronik yang baik, kekonduksian proton yang tinggi (> 0.1 S cm^-1) dan peresapan hidrofilik yang unik [3]. Namun, membran Nafion mempunyai masalah pengambilan air dan kekonduksian proton berkurang apabila suhu operasi melebihi 80 °C dan kelembapan rendah (<50%), disebabkan ketidakupayaan untuk mengekalkan kehadiran air dalam kelompok ionik .

Sehubungan itu, para penyelidik sedang membangunkan membran Nafion yang boleh diubah suai atau mereka menghasilkan membran pertukaran proton alternatif untuk mengatasi masalah komersial membran pada PEMFC bersuhu tinggi. Penggabungan pengisi bukan organik ke dalam matriks Nafion mampu untuk mengekalkan ciri pengambilan air serta membawa kepada peningkatan kekonduksian proton pada suhu operasi tinggi dan kelembapan rendah [4]. Selain daripada penggabungan dengan pengisi bukan organik, polimer hidrokarbon aromatik bersulfonasi dan membran polimer organik-bukan organik juga dikaji sebagai membran pertukaran proton yang mampu beroperasi pada suhu tinggi [5].

Secara kesimpulannya, berdasarkan penerangan yang ringkas yang diberikan, PEMFC bersuhu tinggi mampu mengatasi banyak kelemahan PEMFC bersuhu rendah kerana kebolehkendaliannya pada suhu tinggi tanpa pelembapan, tindak balas kinetik yang dipertingkatkan pada elektrod, tolenrasi CO yang tinggi serta pengurusan air dan haba yang lebih mudah.

Rujukan

[1]       Wang, Y., Chen, K. S., Mishler, J., Cho, S. C., & Adroher, X. C. (2011). A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research. Applied energy, 88(4), 981-1007.

[2]       Zarrin, H., Higgins, D., Jun, Y., Chen, Z., & Fowler, M. (2011). Functionalized graphene oxide nanocomposite membrane for low humidity and high temperature proton exchange membrane fuel cells. The Journal of Physical Chemistry C, 115(42), 20774-20781.

[3]       Vinothkannan, M., Kim, A. R., & Yoo, D. J. (2018). Sulfonated graphene oxide/Nafion composite membranes for high temperature and low humidity proton exchange membrane fuel cells. RSC advances, 8(14), 7494-7508.

[4]       Parthiban, V., Akula, S., Peera, S. G., Islam, N., & Sahu, A. K. (2016). Proton conducting Nafion-sulfonated graphene hybrid membranes for direct methanol fuel cells with reduced methanol crossover. Energy & Fuels, 30(1), 725-734.

[5]       Jia, W., Feng, K., Tang, B., & Wu, P. (2015). β-Cyclodextrin modified silica nanoparticles for Nafion based proton exchange membranes with significantly enhanced transport properties. Journal of Materials Chemistry A, 3(30), 15607-15615.