เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนหรือเยื่ออิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ ( PEM ) เป็นเยื่อกึ่งซึมผ่านได้โดยทั่วไปทำจากไอโอโนเมอร์และออกแบบมาเพื่อนำโปรตอนในขณะที่ทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าและเป็นตัวกั้นสารตั้งต้น เช่นออกซิเจนและก๊าซไฮโดรเจน^{[ 1 ]}นี่คือหน้าที่สำคัญของเยื่อเหล่านี้เมื่อรวมเข้ากับชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) ของเซลล์เชื้อเพลิงเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนหรืออิเล็กโทรไลเซอร์เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน : การแยกสารตั้งต้นและการขนส่งโปรตอนในขณะที่ปิดกั้นเส้นทางอิเล็กทรอนิกส์โดยตรงผ่านเมมเบรน

PEM สามารถผลิตได้จาก เยื่อพอ ลิเมอร์ บริสุทธิ์ หรือจาก เยื่อคอม โพสิตซึ่งมีวัสดุอื่นฝังอยู่ในเมทริกซ์พอลิเมอร์ วัสดุ PEM ที่พบได้ทั่วไปและมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์มากที่สุดอย่างหนึ่งคือ ฟลูออโรพอลิเมอร์ (PFSA) ^{[ 2 ]} Nafionซึ่ง เป็น ผลิตภัณฑ์ของDuPont ^{[ 3 ]}แม้ว่า Nafion จะเป็นไอโอโนเมอร์ที่มีโครงสร้างหลักเป็นเพอร์ฟลูออริเนตเหมือนเทฟลอน [ ^{4 ] แต่ก็มีโครงสร้างอื่นๆ อีกมากมายที่ใช้ในการผลิตไอโอโนเมอร์สำหรับเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน หลายชนิดใช้พอลิเมอร์อะโรมาติกหลาย ตัว}ในขณะที่บางชนิดใช้พอลิเมอร์ที่มีฟลูออรีนบางส่วน

เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนมีลักษณะเด่นหลักๆ คือการนำไฟฟ้า ของโปรตอน (σ) การซึมผ่าน ของเมทานอล ( P ) และความเสถียรทางความร้อน^{[ 5 ]}

เซลล์เชื้อเพลิง PEM ใช้เยื่อโพลีเมอร์แข็ง (ฟิล์มพลาสติกบางๆ) ซึ่งยอมให้โปรตอนผ่านได้เมื่ออิ่มตัวด้วยน้ำ แต่ไม่นำอิเล็กตรอน

เทคโนโลยีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนในยุคแรกได้รับการพัฒนาในช่วงต้นทศวรรษ 1960 โดย Leonard Niedrach และ Thomas Grubb นักเคมีที่ทำงานให้กับบริษัทGeneral Electric ^{[ 6 ]}รัฐบาลได้ทุ่มเททรัพยากรจำนวนมากให้กับการศึกษาและพัฒนาเมมเบรนเหล่านี้เพื่อใช้ในโครงการอวกาศGemini ของ NASA ^{[ 7 ]}ปัญหาทางเทคนิคหลายประการทำให้ NASA ละทิ้งการใช้เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนและหันมาใช้แบตเตอรี่แทน ซึ่งมีความจุต่ำกว่าแต่มีความน่าเชื่อถือมากกว่าสำหรับภารกิจ Gemini 1–4 ^{[ 8 ]}เซลล์เชื้อเพลิง PEM รุ่นปรับปรุงของ General Electric ถูกนำมาใช้ในภารกิจ Gemini ครั้งต่อๆ ไปทั้งหมด แต่ถูกยกเลิกสำหรับภารกิจApollo ครั้งต่อมา ^{[ 9 ]}ไอโอโนเมอร์ฟลูออริเนตNafionซึ่งปัจจุบันเป็นวัสดุเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ได้รับการพัฒนาโดย Walther Grot นักเคมีพลาสติกของ DuPont Grot ยังได้แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของมันในฐานะเมมเบรนแยกทางไฟฟ้าเคมีอีกด้วย^{[ 10 ]}

ในปี 2014 Andre Geimจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ได้เผยแพร่ผลลัพธ์เบื้องต้นเกี่ยวกับชั้นโมโนเลเยอร์ที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียวของกราฟีนและโบรอนไนไตรด์ซึ่งอนุญาตให้เฉพาะโปรตอนผ่านวัสดุได้ ทำให้วัสดุเหล่านี้สามารถใช้ทดแทนไอโอโนเมอร์ที่มีฟลูออรีนเป็นวัสดุ PEM ได้^{[ 11 ] [ 12 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC) มีข้อดีบางประการเหนือกว่าเซลล์เชื้อเพลิงประเภทอื่น เช่นเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC) PEMFC ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า มีน้ำหนักเบาและกะทัดรัดกว่า ทำให้เหมาะสำหรับใช้งานในรถยนต์ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียบางประการ ได้แก่ อุณหภูมิการทำงานประมาณ 80 °C ต่ำเกินไปสำหรับการผลิตพลังงานร่วมเช่นเดียวกับใน SOFC และอิเล็กโทรไลต์สำหรับ PEMFC ต้องอิ่มตัวด้วยน้ำ แต่รถยนต์เซลล์เชื้อเพลิงบางรุ่น รวมถึงToyota Miraiสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องเพิ่มความชื้น โดยอาศัยการสร้างน้ำอย่างรวดเร็วและอัตราการแพร่กลับสูงผ่านเยื่อบางๆ เพื่อรักษาความชุ่มชื้นของเมมเบรน รวมถึงไอโอโนเมอร์ในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา

เซลล์เชื้อเพลิง PEMFC อุณหภูมิสูงทำงานระหว่าง 100  °C ถึง 200  °C ซึ่งอาจให้ประโยชน์ในด้านจลนศาสตร์ของอิเล็กโทรดและการจัดการความร้อน รวมถึงความทนทานต่อสิ่งเจือปนในเชื้อเพลิงได้ดีขึ้น โดยเฉพาะCOในรีฟอร์เมต การปรับปรุงเหล่านี้อาจนำไปสู่ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ผลประโยชน์เหล่านี้ยังไม่เกิดขึ้นจริง เนื่องจากเมมเบรนกรดเพอร์ฟลูออริเนตซัลโฟนิก (PFSA) ซึ่งเป็นมาตรฐานทองคำจะสูญเสียการทำงานอย่างรวดเร็วที่ 100  °C ขึ้นไป หากความชุ่มชื้นลดลงต่ำกว่า ~100% และเริ่มเกิดการคืบคลานในช่วงอุณหภูมินี้ ส่งผลให้เกิดการบางลงเฉพาะจุดและอายุการใช้งานของระบบโดยรวมลดลง ด้วยเหตุนี้ จึงมีการศึกษาอย่างจริงจังเกี่ยวกับตัวนำโปรตอนแบบปราศจากน้ำชนิดใหม่ เช่น ผลึกพลาสติกไอออนิกอินทรีย์โปรติก (POIPCs) และของเหลวไอออนิกโปรติกเพื่อพัฒนา PEM ที่เหมาะสม^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

เชื้อเพลิงสำหรับ PEMFC คือไฮโดรเจน และตัวนำประจุคือไอออนไฮโดรเจน (โปรตอน) ที่ขั้วแอโนด โมเลกุลไฮโดรเจนจะถูกแยกออกเป็นไอออนไฮโดรเจน (โปรตอน) และอิเล็กตรอน ไอออนไฮโดรเจนจะซึมผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังขั้วแคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนจะไหลผ่านวงจรภายนอกและผลิตพลังงานไฟฟ้า ออกซิเจน ซึ่งโดยปกติอยู่ในรูปของอากาศ จะถูกส่งไปยังขั้วแคโทดและรวมกับอิเล็กตรอนและไอออนไฮโดรเจนเพื่อผลิตน้ำ ปฏิกิริยาที่ขั้วไฟฟ้ามีดังนี้:

ปฏิกิริยาที่ขั้วแอโนด:

2H → 4H ⁺ + 4e ⁻

ปฏิกิริยาที่แคโทด:

O + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H O

ปฏิกิริยาโดยรวมของเซลล์:

2H₂ + O₂ 2H₂O ความร้อน + พลังงาน

ค่าศักย์คายความร้อนตามทฤษฎีโดยรวมคือ +1.23 โวลต์

การใช้งานหลักของเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนคือในเซลล์เชื้อเพลิง PEM เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้มีการใช้งานเชิงพาณิชย์และทางทหารที่หลากหลาย รวมถึงในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ และพลังงาน^{[ 9 ] [ 16 ]}

การใช้งานเซลล์เชื้อเพลิง PEM ในช่วงแรกนั้นมุ่งเน้นไปที่อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ความจุของเซลล์เชื้อเพลิงที่สูงกว่าแบตเตอรี่ในขณะนั้นทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงการ Gemini ของ NASA ซึ่งเริ่มมุ่งเป้าไปที่ภารกิจอวกาศที่มีระยะเวลานานกว่าที่เคยพยายามมาก่อน^{[ 9 ]}

ข้อมูล ณ ปี 2008อุตสาหกรรมยานยนต์ รวมถึงการผลิตพลังงานส่วนบุคคลและสาธารณะ เป็นตลาดที่ใหญ่ที่สุดสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน^{[ 17 ]}เซลล์เชื้อเพลิง PEM เป็นที่นิยมในการใช้งานด้านยานยนต์เนื่องจากอุณหภูมิการทำงานที่ค่อนข้างต่ำและความสามารถในการสตาร์ทได้อย่างรวดเร็วแม้ในสภาวะที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง^{[ 18 ]}ณ เดือนมีนาคม 2019 มีรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง 6,558 คันบนท้องถนนในสหรัฐอเมริกา โดยโตโยต้า มิไรเป็นรุ่นที่ได้รับความนิยมมากที่สุด^{[ 19 ]}เซลล์เชื้อเพลิง PEM ประสบความสำเร็จในการนำไปใช้ในเครื่องจักรหนักประเภทอื่น ๆ เช่นกัน โดยBallard Power Systems เป็น ผู้จัดหารถยกที่ใช้เทคโนโลยีนี้^{[ 20 ]}ความท้าทายหลักที่เทคโนโลยี PEM ในอุตสาหกรรมยานยนต์ต้องเผชิญคือการจัดเก็บไฮโดรเจนอย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ซึ่งปัจจุบันเป็นพื้นที่ที่มีการวิจัยอย่างเข้มข้น^{[ 18 ]}

การอิเล็กโทรไลซิสด้วยเยื่ออิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์เป็นเทคนิคที่ใช้เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนในการแยกน้ำออกเป็นก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจน^{[ 21 ]}เยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนช่วยให้สามารถแยกไฮโดรเจนที่ผลิตได้ออกจากออกซิเจน ทำให้สามารถนำผลิตภัณฑ์ใดผลิตภัณฑ์หนึ่งไปใช้ประโยชน์ได้ตามต้องการ กระบวนการนี้ถูกนำไปใช้ในหลายด้านเพื่อสร้างเชื้อเพลิงไฮโดรเจนและออกซิเจนสำหรับระบบช่วยชีวิตในเรือ เช่นเรือดำน้ำของ กองทัพเรือ สหรัฐฯและ กองทัพ เรืออังกฤษ^{[ 9 ]}ตัวอย่างล่าสุดคือการสร้าง โรงงานอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM ของ Air Liquide ขนาด 20 เมกะวัตต์ ในควิเบก^{[ 22 ]}อุปกรณ์ที่ใช้ PEM ที่คล้ายกันนี้มีจำหน่ายสำหรับการผลิตโอโซนในระดับอุตสาหกรรม^{[ 23 ]}

เครื่องแปลงพลังงานเทอร์โมอิเล็กทริกของจอห์นสัน หรือ JTEC เป็น เครื่องยนต์ความร้อน แบบ โซลิดสเตท ชนิดหนึ่งที่ใช้การออกซิเดชันและการลดทางเคมีไฟฟ้าของไฮโดรเจนในวงจรความร้อนแบบสองเซลล์ซึ่งใกล้เคียง กับวงจร ของเอริคสัน [ ^{24 ] เครื่องยนต์}ประกอบด้วยสองขั้นตอน: ขั้นตอนการอัดที่อุณหภูมิต่ำและขั้นตอนกำลังที่อุณหภูมิสูง แต่ละขั้นตอนประกอบด้วยห้องของของเหลวทำงาน (ในกรณีนี้คือไฮโดรเจน ) ที่ถูกแบ่งครึ่งโดย ชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) ที่บุด้วยทองแดงซึ่งทำจาก PEM เซรามิกที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งประกบอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดสองตัว^{[ 25 ]}

• แบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์แข็งแบบแห้ง
• โครงการ STREP ที่ได้รับการสนับสนุนจาก EC เกี่ยวกับการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ PEM แรงดันสูง