प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली ईंधन सेल

प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली ईंधन सेल (पीईएमएफसी), जिसे बहुलक वैद्युतअपघट्य झिल्ली (पीईएम) ईंधन सेल के रूप में भी जाना जाता है, मुख्य रूप से परिवहन अनुप्रयोगों के साथ-साथ स्थिर ईंधन-सेल अनुप्रयोग और सुवाहय ईंधन-सेल अनुप्रयोगों के लिए विकसित किए जा रहे ईंधन सेल का एक प्रकार है। उनकी विशिष्ट विशेषताओं में कम तापमान/दबाव श्रेणी (50 से 100 डिग्री सेल्सियस) और विशेष प्रोटॉन-संचालन बहुलक वैद्युतअपघट्य झिल्ली सम्मलित हैं। पीईएमएफसी बिजली उत्पन्न करते हैं और पीईएम विद्युतपघटन के विपरीत सिद्धांत पर काम करते हैं, जो बिजली की खपत करता है। वे परिपक्वन क्षारीय ईंधन सेल प्रौद्योगिकी को बदलने के लिए प्रमुख उम्मीदवार हैं, जिसका उपयोग अंतरिक्ष शटल में किया गया था।

विज्ञान
पीईएमएफसी झिल्ली इलेक्ट्रोड असेंबली (एमईए) से निर्मित होते हैं जिसमें इलेक्ट्रोड, वैद्युतअपघट्य, उत्प्रेरक और गैस प्रसार परतें सम्मलित होती हैं। ठोस वैद्युतअपघट्य पर उत्प्रेरक, कार्बन और इलेक्ट्रोड की स्याही का छिड़काव या पेंट किया जाता है और कार्बन पेपर को सेल के अंदर की सुरक्षा के लिए दोनों तरफ दबाया जाता है और इलेक्ट्रोड के रूप में भी कार्य करता है। सेल का मुख्य भाग ट्रिपल चरण सीमा (टीपीबी) है जहां वैद्युतअपघट्य, उत्प्रेरक और अभिकारक मिश्रित होते हैं और इस प्रकार जहां सेल प्रतिक्रियाएं वास्तव में होती हैं। महत्वपूर्ण रूप से, झिल्ली विद्युत प्रवाहकीय नहीं होनी चाहिए जिससे कि आधी प्रतिक्रियाएँ मिश्रित न हों। 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर संचालन तापमान वांछित हैं इसलिए जल उपोत्पाद भाप बन जाता है और सेल डिजाइन में जल प्रबंधन कम महत्वपूर्ण हो जाता है।

प्रतिक्रियाएं
प्रोटॉन विनिमय झिल्ली ईंधन सेल हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के दौरान मुक्त रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है, जैसा कि तापीय ऊर्जा का उत्पादन करने के लिए हाइड्रोजन और ऑक्सीजन गैसों के प्रत्यक्ष दहन के विपरीत होता है।

एमईए के एनोड की ओर हाइड्रोजन की धारा पहुंचाई जाती है। एनोड की ओर यह उत्प्रेरक रूप से प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन में विभाजित हो जाता है। यह ऑक्सीकरण आधा सेल प्रतिक्रिया या हाइड्रोजन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया (एचओआर) द्वारा दर्शाया गया है:

एनोड पर: नवगठित प्रोटॉन बहुलक वैद्युतअपघट्य झिल्ली के माध्यम से कैथोड पक्ष में प्रवेश करते हैं। इलेक्ट्रॉन बाहरी लोड विद्युत परिपथ के साथ एमईए के कैथोड की ओर दौरा करते हैं, इस प्रकार ईंधन सेल का विद्युत धारा निर्गत बनाते हैं। इस बीच, एमईए के कैथोड की ओर ऑक्सीजन की धारा पहुंचाई जाती है। कैथोड की तरफ ऑक्सीजन के अणु बहुलक वैद्युतअपघट्य झिल्ली के माध्यम से प्रवेश करने वाले प्रोटॉन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं और पानी के अणु बनाने के लिए बाहरी विद्युत परिपथ के माध्यम से आने वाले इलेक्ट्रॉनों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। यह कमी आधा सेल प्रतिक्रिया या ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया (ओआरआर) द्वारा दर्शाया गया है:

कैथोड पर: कुल प्रतिक्रिया: प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया समीकरण में व्यक्त की जाती है और ऑक्सीजन अणु के साथ हाइड्रोजन प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों के पुनर्संयोजन और पानी के अणु के गठन को दर्शाती है। प्रत्येक मामले में क्षमता मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड के संबंध में दी गई है।

बहुलक वैद्युतअपघट्य झिल्ली
कार्य करने के लिए, झिल्ली को हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन) का संचालन करना चाहिए, लेकिन इलेक्ट्रॉनों का नहीं क्योंकि इससे ईंधन सेललघु परिपथ हो जाएगा। झिल्ली को किसी भी गैस को सेल के दूसरी ओर जाने की अनुमति नहीं देनी चाहिए, इस समस्या को गैस पारगमन के रूप में जाना जाता है। अंत में, झिल्ली को कैथोड पर कम करने वाले वातावरण के साथ-साथ एनोड पर कठोर ऑक्सीकृत वातावरण के लिए प्रतिरोधी होना चाहिए।

प्लैटिनम उत्प्रेरक का उपयोग करके हाइड्रोजन अणु का विभाजन अपेक्षाकृत आसान है। दुर्भाग्य से, चूंकि, ऑक्सीजन अणु को विभाजित करना अधिक कठिन होता है, और इससे बिजली के महत्वपूर्ण नुकसान होते हैं। इस प्रक्रिया के लिए उपयुक्त उत्प्रेरक सामग्री की खोज नहीं की गई है, और प्लेटिनम सबसे अच्छा विकल्प है।

गुण
1. आसान सीलिंग

पीईएमएफसी में वैद्युतअपघट्य के रूप में पतली, बहुलक झिल्ली होती है। यह झिल्ली एनोड और कैथोड उत्प्रेरक के बीच स्थित है और इलेक्ट्रॉनों के मार्ग को प्रतिबंधित करते हुए प्रोटॉन के पारित होने को कैथोड तक जाने की अनुमति देता है। तरल अपघट्य की तुलना में, बहुलक झिल्ली में रिसाव की संभावना बहुत कम होती है [2]। प्रोटॉन-विनिमय झिल्ली सामान्यतः पेरफ्लुओरोसल्फ़ोनिक अम्ल (पीएसएफए) या नेफियन जैसी पदार्थ से बना होता है, जो गैस पारगमन और ईंधन सेल के लघु परिपथ को कम करता है।

2. कम परिचालन तापमान

चरम उप-ठंड की स्थिति में, ईंधन सेल द्वारा उत्पादित पानी संरध्र परतों और प्रवाह सरणि में जम सकता है। यह बर्फ़ीला पानी गैस और ईंधन परिवहन को अवरुद्ध कर सकता है और साथ ही उत्प्रेरक प्रतिक्रिया साइटों को आच्छादित कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप निर्गत विद्युत् का नुकसान होता है और ईंधन सेल की प्रवर्तन विफलता होती है।

चूंकि, पीईएम ईंधन सेल का कम संचालन तापमान इसे अन्य प्रकार के ईंधन सेल की तुलना में कम ताप के साथ उपयुक्त तापमान तक पहुंचने की अनुमति देता है। इस दृष्टिकोण के साथ, पीईएम ईंधन सेल को -20 डिग्री सेल्सियस से प्रारंभन प्रक्रियाओं में सक्षम दिखाया गया है।

3. प्रकाश द्रव्यमान और उच्च शक्ति घनत्व (परिवहन अनुप्रयोग)

पीईएम ईंधन सेल को ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल के लिए 2.5 किलोवाट/किग्रा की तुलना में 39.7 किलोवाट/किग्रा तक उच्च ऊर्जा घनत्व में सक्षम दिखाया गया है। इस उच्च शक्ति घनत्व के कारण, परिवहन के साथ-साथ पहनने योग्य प्रौद्योगिकी में संभावित अनुप्रयोगों पर काफी शोध किया जा रहा है।

कमजोरियां
पीईएम पर आधारित ईंधन सेल में अभी भी कई मुद्दे हैं:

1. जल प्रबंधन

प्रदर्शन के लिए जल प्रबंधन महत्वपूर्ण है: यदि पानी को बहुत धीरे-धीरे वाष्पित किया जाता है, तो यह झिल्ली को भर देगा और क्षेत्र प्रवाह प्लेट के अंदर पानी का संचय ऑक्सीजन के प्रवाह को ईंधन सेल में बाधित कर देगा, लेकिन यदि पानी बहुत तेजी से वाष्पित हो जाता है, तो झिल्ली सूख जाता है और इसके आर-पार प्रतिरोध बढ़ जाता है। दोनों स्थितियों में स्थिरता और बिजली उत्पादन को नुकसान होगा। पीईएम प्रणाली में जल प्रबंधन बहुत ही कठिन विषय है, मुख्यतः क्योंकि झिल्ली में पानी ध्रुवीकरण के माध्यम से सेल के कैथोड की ओर आकर्षित होता है।

पानी के प्रबंधन के लिए इलेक्ट्रोस्मोटिक पंप के एकीकरण सहित कई प्रकार के समाधान सम्मलित हैं।

जल पुनरावर्तन समस्या को हल करने के लिए एक और अभिनव तरीका टोयोटा मिराई, 2014 में उपयोग किया गया 3डी ललित जाल प्रवाह क्षेत्र डिजाइन है। एफसी स्टैक का पारंपरिक डिजाइन सीधे चैनल और संरध्र धातु प्रवाह क्षेत्र के साथ आर्द्रकारक के माध्यम से वायु निर्गम से वायु अन्तर्गम तक जल पुनरावर्तन करता है।[54] प्रवाह क्षेत्र शिरा और सरणि से बना एक संरचना है। हालाँकि, शिरा आंशिक रूप से गैस प्रसार परत (जीडीएल) को आच्छादित करता है और परिणामी गैस-परिवहन दूरी अंतर-चैनल दूरी से अधिक है। इसके अतिरिक्त, जीडीएल और शिरा के बीच संपर्क दबाव भी जीडीएल को संकुचित करता है, जिससे शिरा और चैनल में इसकी मोटाई असमान हो जाती है [55]। पसली की बड़ी चौड़ाई और गैर-समान मोटाई जल वाष्प के जमा होने की संभावना को बढ़ाएगी और ऑक्सीजन से समझौता किया जाएगा। परिणाम स्वरुप, ऑक्सीजन को उत्प्रेरक परत में फैलाने के लिए बाधित किया जाएगा, जिससे एफसी में गैर-समान बिजली उत्पादन होगा।

इस नए डिजाइन ने पहले एफसी स्टैक को आर्द्रीकरण प्रणाली के बिना काम करने में सक्षम बनाया, इस बीच पानी के पुनरावर्तन के मुद्दों पर काबू पाया और उच्च शक्ति उत्पादन स्थिरता प्राप्त की[54]। 3डी सूक्ष्म जाली गैस प्रवाह के लिए अधिक रास्ते की अनुमति देती है; इसलिए, यह झिल्ली इलेक्ट्रोड और गैस प्रसार परत असेंबली (एमईजीए) की ओर वायु प्रवाह को बढ़ावा देता है और उत्प्रेरक परत को O2 प्रसार को बढ़ावा देता है। पारंपरिक प्रवाह क्षेत्रों के विपरीत, जटिल क्षेत्र में 3डी सूक्ष्म-जाली, जो जीडीएल और प्रवाह-क्षेत्रों[53]के बीच बार-बार सूक्ष्म मापक्रम अंतरापृष्ठीय प्रवाह के रूप में कार्य करते हैं और प्रेरित करते हैं। इस दोहराए जाने वाले सूक्ष्म पैमाने के संवहन प्रवाह के कारण, उत्प्रेरक परत (सीएल) के लिए ऑक्सीजन परिवहन और जीडीएल से तरल पानी हटाने में काफी वृद्धि हुई है। रन्ध्र के भीतर संचय को रोकते हुए उत्पन्न पानी को प्रवाह क्षेत्र के माध्यम से जल्दी से बाहर निकाला जाता है। परिणाम स्वरुप, इस प्रवाह क्षेत्र से बिजली उत्पादन पूरे प्रतिनिध्यात्म में समान है और स्व-आर्द्रीकरण सक्षम है।

2. उत्प्रेरक की भेद्यता

झिल्ली पर प्लैटिनम उत्प्रेरक कार्बन मोनोऑक्साइड द्वारा आसानी से जहरीला हो जाता है, जो अधिकांशतः मीथेन सुधार द्वारा निर्मित उत्पाद गैसों में सम्मलित होता है (प्रति मिलियन एक से अधिक भाग सामान्यतः स्वीकार्य नहीं होता है)। यह सामान्यतः उत्पाद गैसों से CO को खत्म करने और अधिक हाइड्रोजन बनाने के लिए जल गैस परिवर्तन प्रतिक्रिया के उपयोग की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, झिल्ली धातु आयनों की उपस्थिति के प्रति संवेदनशील है, जो प्रोटॉन चालन तंत्र को ख़राब कर सकता है और धातु द्विध्रुवी प्लेटों के क्षरण, ईंधन सेल प्रणाली में धातु के घटकों या ईंधन/ऑक्सीकारक में दूषित पदार्थों से पेश किया जा सकता है।

डेमलर क्रिसलर नेकर 5 के रूप में पीईएम प्रणाली जो संशोधित मेथनॉल का उपयोग करते हैं, प्रस्तावित किए गए थे; मेथनॉल में सुधार, अर्थात इसे हाइड्रोजन प्राप्त करने के लिए प्रतिक्रिया करना, चूंकि बहुत ही जटिल प्रक्रिया है, जिसके लिए कार्बन मोनोऑक्साइड से शुद्धिकरण की भी आवश्यकता होती है। प्लेटिनम-रूथेनियम उत्प्रेरक आवश्यक है क्योंकि कुछ कार्बन मोनोऑक्साइड अनिवार्य रूप से झिल्ली तक पहुंच जाएगी। स्तर 10 भागों प्रति मिलियन से अधिक नहीं होना चाहिए। इसके अतिरिक्त, ऐसे सुधारक प्रतिघातक का प्रवर्तन समय लगभग आधे घंटे का होता है। वैकल्पिक रूप से, मेथनॉल, और कुछ अन्य जैव ईंधन को सुधार किए बिना सीधे पीईएम ईंधन सेल में डाला जा सकता है, इस प्रकार प्रत्यक्ष मेथनॉल ईंधन सेल (डीएमएफसी) बनाया जा सकता है। ये उपकरण सीमित सफलता के साथ काम करते हैं।

3. संचालन तापमान की सीमा

सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली झिल्ली केमोरस द्वारा नेफियन है, जो प्रोटॉन के परिवहन के लिए झिल्ली के तरल पानी के आर्द्रीकरण पर निर्भर करती है। इसका तात्पर्य है कि 80 से 90 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान का उपयोग करना संभव नहीं है, क्योंकि झिल्ली सूख जाएगी। पॉलीबेन्ज़िमिडाज़ोल फाइबर (पीबीआई) या फॉस्फोरिक-अम्ल ईंधन सेल पर आधारित अधिक हालिया झिल्ली प्रकार, किसी भी जल प्रबंधन का उपयोग किए बिना 220 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच सकते हैं (उच्च तापमान प्रोटॉन विनिमय झिल्ली ईंधन सेल, एचटी-पीईएमएफसी भी देखें): उच्च तापमान बेहतर के लिए अनुमति देता है दक्षता, बिजली घनत्व, ठंडा करने में आसानी (बड़े स्वीकार्य तापमान अंतर के कारण), कार्बन मोनोऑक्साइड विषाक्तता के प्रति कम संवेदनशीलता और बेहतर नियंत्रणीयता (झिल्ली में जल प्रबंधन के मुद्दों की अनुपस्थिति के कारण); हालाँकि, ये हाल के प्रकार उतने सामान्य नहीं हैं। पीबीआई को फॉस्फोरिक या सल्फ्यूरिक अम्ल से अपमिश्रित किया जा सकता है और अपमिश्रित और तापमान की मात्रा के साथ चालकता स्केल किया जा सकता है। उच्च तापमान पर, नफियन को हाइड्रेटेड रखना मुश्किल है, लेकिन यह अम्ल अपमिश्रित सामग्री प्रोटॉन चालन के लिए माध्यम के रूप में पानी का उपयोग नहीं करती है। यह नेफियन की तुलना में बेहतर यांत्रिक गुणों, उच्च शक्ति को भी प्रदर्शित करता है और सस्ता है। चूंकि, अम्ल निक्षालन महत्वपूर्ण मुद्दा है और स्याही बनाने के लिए उत्प्रेरक के साथ मिश्रण करना मुश्किल सिद्ध हुआ है। पीईईके जैसे सुगंधित बहुलक, टेफ्लॉन (पीटीएफई और नफियन की पृष्ठास्थि) की तुलना में बहुत सस्ते हैं और उनके ध्रुवीय चरित्र से जलयोजन होता है जो नफियन की तुलना में कम तापमान पर निर्भर होता है। चूंकि, पीईईके, नफियन की तुलना में बहुत कम आयनिक प्रवाहकीय है और इस प्रकार एक कम अनुकूल वैद्युतअपघट्य विकल्प है। हाल ही में, उच्च तापमान (100-200 डिग्री सेल्सियस) पीईएमएफसी के लिए प्रोटिक आयनिक तरल पदार्थ और प्रोटिक कार्बनिक आयनिक प्लास्टिक क्रिस्टल को आशाजनक वैकल्पिक वैद्युतअपघट्य सामग्री के रूप में दिखाया गया है।

इलेक्ट्रोड
इलेक्ट्रोड में सामान्यतः कार्बन आलंब, Pt कण, नफियन आयनोमर और/या टेफ्लॉन योजक होते हैं। कार्बन आलंब विद्युत संवाहक के रूप में कार्य करता है; Pt कण प्रतिक्रिया स्थल हैं; आयनोमर प्रोटॉन चालन के लिए पथ प्रदान करता है, और टेफ्लॉन योजक संभावित बाढ़ को कम करने के लिए इलेक्ट्रोड की जलविरोधी को बढ़ाता है। इलेक्ट्रोड पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्षम करने के लिए, प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन और प्रतिक्रियाशील गैसों (हाइड्रोजन या ऑक्सीजन) को इलेक्ट्रोड में उत्प्रेरक की सतह तक पहुंच प्राप्त करनी चाहिए, जबकि उत्पाद पानी, जो तरल या गैसीय चरण में हो सकता है, या दोनों चरणों को उत्प्रेरक से गैस निर्गम तक रिसने में सक्षम होना चाहिए। इन गुणों को सामान्यतः बहुलक वैद्युतअपघट्य योजक (आयनोमर) के संरध्र मिश्र और कार्बन कणों पर समर्थित उत्प्रेरक नैनोकणों द्वारा महसूस किया जाता है। सामान्यतः प्लैटिनम का उपयोग एनोड और कैथोड पर विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए उत्प्रेरक के रूप में किया जाता है, जबकि नैनोपार्टिकल्स महंगे प्लैटिनम की मात्रा को कम करने के लिए उच्च सतह से वजन अनुपात (जैसा कि नीचे वर्णित है) का एहसास करते हैं। बहुलक वैद्युतअपघट्य योजक आयनिक चालकता प्रदान करता है, जबकि उत्प्रेरक का कार्बन समर्थन विद्युत चालकता में सुधार करता है और कम प्लेटिनम धातु भरण को सक्षम बनाता है। समग्र इलेक्ट्रोड में विद्युत चालकता सामान्यतः प्रोटॉन चालकता से 40 गुना अधिक होती है।

गैस प्रसार परत
जीडीएल विद्युत रूप से उत्प्रेरक और विद्युत धारा संग्राहक को जोड़ता है। यह संरध्र, विद्युत प्रवाहकीय और पतला होना चाहिए। अभिकारकों को उत्प्रेरक तक पहुंचने में सक्षम होना चाहिए, लेकिन चालकता और सरंध्रता विरोधी शक्तियों के रूप में कार्य कर सकते हैं। इष्टतम रूप से, जीडीएल लगभग एक तिहाई नफियन या 15% पीटीएफई से बना होना चाहिए। जीडीएल में उपयोग किए जाने वाले कार्बन कण उत्प्रेरक में नियोजित कार्बन कणों से बड़े हो सकते हैं क्योंकि इस परत में सतह क्षेत्र सबसे महत्वपूर्ण चर नहीं है। यांत्रिक शक्ति के साथ आवश्यक सरंध्रता को संतुलित करने के लिए जीडीएल लगभग 15-35 µm मोटा होना चाहिए। जीडीएल में बड़े रन्ध्र और उत्प्रेरक परत में छोटे सरंध्रता के बीच संक्रमण को कम करने के लिए अधिकांशतः जीडीएल और उत्प्रेरक परत के बीच मध्यवर्ती संरध्र परत जोड़ी जाती है। चूँकि जीडीएल का प्राथमिक कार्य पानी को हटाने में मदद करना है, उत्पाद, बाढ़ तब आ सकती है जब पानी प्रभावी रूप से जीडीएल को अवरुद्ध कर दे। यह उत्प्रेरक तक पहुँचने के लिए अभिकारकों की क्षमता को सीमित करता है और प्रदर्शन को काफी कम कर देता है। बाढ़ की संभावना को सीमित करने के लिए टेफ्लॉन को जीडीएल पर लेपित किया जा सकता है। जीडीएलएस में कई सूक्ष्म चरों का विश्लेषण किया जाता है जैसे: सरंध्रता, वक्रता और पारगम्यता। इन चरों का ईंधन सेल के व्यवहार पर प्रभाव पड़ता है।

दक्षता
गिब्स मुक्त ऊर्जा समीकरण ΔG = -237.13 किलो जूल प्रति मोल और हाइड्रोजन के ताप मान (ΔH = -285.84 किलो जूल प्रति मोल) को लागू करने वाली अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता 298 केल्विन पर 83% है।
 * $$\eta = \frac{\Delta G}{\Delta H} = 1 - \frac{T\Delta S}{\Delta H}$$

पीईएम की व्यावहारिक दक्षता 50-60% की सीमा में है। नुकसान पैदा करने वाले मुख्य कारक हैं:
 * सक्रियण नुकसान
 * ओमिक नुकसान
 * बड़े पैमाने पर परिवहन नुकसान

द्विध्रुवी प्लेट
बाहरी इलेक्ट्रोड, जिन्हें अधिकांशतः द्विध्रुवी प्लेट या बैकप्लेट के रूप में संदर्भित किया जाता है, उत्प्रेरक को समान रूप से ईंधन और ऑक्सीजन वितरित करने, पानी निकालने, विद्युत प्रवाह को इकट्ठा करने और संचारित करने के लिए काम करते हैं। इस प्रकार, उन्हें उत्प्रेरक के निकट संपर्क में रहने की आवश्यकता है। चूंकि प्लेट पीईएम और उत्प्रेरक दोनों परतों के संपर्क में हैं, इसलिए ईंधन सेल कंपन और तापमान चक्रण के कारण संरचनात्मक विफलता के मामले में बैकप्लेट को संरचनात्मक रूप से कठिन और रिसाव-प्रतिरोधी होना चाहिए। जैसा कि ईंधन सेल तापमान की विस्तृत श्रृंखला में और अत्यधिक अपचायक/ऑक्सीकृत वातावरण में काम करते हैं, प्लेटों में तापमान की विस्तृत श्रृंखला पर उच्च सतह सहनशीलता होनी चाहिए और रासायनिक रूप से स्थिर होनी चाहिए। चूंकि बैकप्लेट ईंधन सेल द्रव्यमान के ¾ से अधिक के लिए खाता है, ऊर्जा घनत्व को अधिकतम करने के लिए सामग्री को हल्का भी होना चाहिए।

इन सभी आवश्यकताओं को पूरा करने वाली सामग्री अधिकांशतः बहुत महंगी होती है। स्वर्ण को इन मानदंडों को अच्छी तरह से पूरा करने के लिए दिखाया गया है, लेकिन इसकी उच्च लागत के कारण इसका उपयोग केवल छोटे उत्पादन संस्करणों के लिए किया जाता है। टाइटेनियम नाइट्राइड (TiN) सस्ती सामग्री है जिसका उपयोग इसकी उच्च रासायनिक स्थिरता, विद्युत चालकता और संक्षारण प्रतिरोध के कारण ईंधन सेल बैकप्लेट में किया जाता है। चूंकि, TiN विलेपन में दोष आसानी से अंतर्निहित सामग्री के जंग का कारण बन सकते हैं, सामान्यतः स्टील है।

गैस और ईंधन के वितरण के अपने मुख्य कार्य को करने के लिए, इन प्लेटों की सतह पर अधिकांशतः सीधे, समानांतर चैनल होते हैं। हालाँकि, इस सरल दृष्टिकोण ने असमान दबाव वितरण, पानी की बूंदों को गैस के प्रवाह को अवरुद्ध करने और निर्गत विद्युत् दोलनों जैसे मुद्दों को जन्म दिया है। इन द्विध्रुवीय प्लेटों के कार्य को अनुकूलित करने के लिए प्रकृति-प्रेरित भग्न मॉडल और अभिकलित्र अनुकरण जैसे नवीन दृष्टिकोणों का पता लगाया जा रहा है।

धातु-जैविक ढांचे
मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (एमओएफ) संरध्र, अत्यधिक क्रिस्टलीय सामग्री का अपेक्षाकृत नया वर्ग है जिसमें कार्बनिक संयोजक से जुड़े धातु निःस्पंद होते हैं। धातु केंद्रों और संलग्नी में हेरफेर या प्रतिस्थापन की सहजता के कारण, संभावित संयोजनों की लगभग असीम संख्या होती है, जो डिजाइन के दृष्टिकोण से आकर्षक है। एमओएफ अपने ट्यून करने योग्य रंध्र आकार, ऊष्मीय स्थिरता, उच्च मात्रा क्षमता, बड़े सतह क्षेत्रों और वांछनीय विद्युत रासायनिक विशेषताओं के कारण कई अद्वितीय गुण प्रदर्शित करते हैं। उनके कई विविध उपयोगों के बीच, एमओएफ स्वच्छ ऊर्जा अनुप्रयोगों जैसे हाइड्रोजन भंडारण, गैस पृथक्करण, सुपरकैपेसिटर, ली-आयन बैटरी, सौर सेल और ईंधन सेल के लिए उम्मीदवारों का वादा कर रहे हैं। ईंधन सेल अनुसंधान के क्षेत्र में, एमओएफ का संभावित वैद्युतअपघट्य सामग्री और इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक के रूप में अध्ययन किया जा रहा है जो किसी दिन क्रमशः पारंपरिक बहुलक झिल्ली और Pt उत्प्रेरक को बदल सकते हैं।

वैद्युतअपघट्य सामग्री के रूप में, एमओएफ का समावेश पहले प्रति-सहज ज्ञान युक्त लगता है। एनोड और कैथोड के बीच ईंधन पारगमन और वोल्टेज के नुकसान को रोकने के लिए ईंधन सेल झिल्ली में सामान्यतः कम सरंध्रता होती है। इसके अतिरिक्त, झिल्लियों में कम क्रिस्टलीयता होती है क्योंकि अव्यवस्थित पदार्थ में आयनों का परिवहन अधिक अनुकूल होता है। दूसरी ओर, रन्ध्र को अतिरिक्त आयन वाहकों से भरा जा सकता है जो अंततः प्रणाली की आयनिक चालकता को बढ़ाते हैं और उच्च क्रिस्टलीयता डिजाइन प्रक्रिया को कम जटिल बनाती है।

पीईएमएफसी के लिए अच्छे वैद्युतअपघट्य की सामान्य आवश्यकताएं हैं: उच्च प्रोटॉन चालकता (व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए> 10−2 सीमेंस / सेंटीमीटर) इलेक्ट्रोड के बीच प्रोटॉन परिवहन को सक्षम करने के लिए, ईंधन सेल संचालन स्थितियों (पर्यावरणीय आर्द्रता, परिवर्तनीय तापमान) के अनुसार अच्छा रासायनिक और ऊष्मीय स्थिरता हैं। जहरीली प्रजातियों, आदि के लिए प्रतिरोध), कम लागत, पतली-फिल्मों में संसाधित होने की क्षमता, और अन्य सेल घटकों के साथ समग्र अनुकूलता हैं। जबकि बहुलक सामग्री विद्युत धारा में प्रोटॉन-संवाहक झिल्ली का पसंदीदा विकल्प है, उन्हें पर्याप्त प्रदर्शन के लिए आर्द्रीकरण की आवश्यकता होती है और कभी-कभी जलयोजन प्रभाव के कारण शारीरिक रूप से नीचा हो सकता है, जिससे दक्षता में कमी आती है। जैसा कि उल्लेख किया गया है, नफियन भी <100 डिग्री सेल्सियस के निर्जलीकरण तापमान द्वारा सीमित है, जिससे धीमी प्रतिक्रिया गतिकी, खराब लागत दक्षता और Pt इलेक्ट्रोड उत्प्रेरकों के CO विषाक्तता हो सकती है। इसके विपरीत, एमओएफ ने निम्न और उच्च तापमान व्यवस्थाओं के साथ-साथ आर्द्रता स्थितियों की विस्तृत श्रृंखला में उत्साहजनक प्रोटॉन चालकता दिखाई है। 100 डिग्री सेल्सियस से नीचे और जलयोजन के अनुसार, हाइड्रोजन बंधन और विलायक पानी के अणुओं की उपस्थिति प्रोटॉन परिवहन में सहायता करती है, जबकि अजल स्थितियां 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान के लिए उपयुक्त होती हैं। एमओएफ को अपने रन्ध्र में चार्ज वहन (अर्थात, पानी, अम्ल इत्यादि) को सम्मलित करने के अतिरिक्त ढांचे द्वारा प्रोटॉन चालकता प्रदर्शित करने का भी विशिष्ट लाभ होता है।

कम तापमान का उदाहरण कितागावा और अन्य द्वारा किया गया कार्य है। जिन्होंने मेजबान के रूप में द्वि-आयामी ऑक्सलेट-ब्रिज्ड एनीओनिक परत ढांचे का उपयोग किया और प्रोटॉन एकाग्रता को बढ़ाने के लिए अमोनियम धनायन और एडिपिक अम्ल अणुओं को रन्ध्र में पेश किया। परिणाम 25 डिग्री सेल्सियस और 98% सापेक्ष आर्द्रता (आरएच) पर "सुपरप्रोटोनिक" चालकता (8 × 10−3 सीमेंस / सेंटीमीटर) दिखाने वाले एमओएफ के पहले उदाहरणों में से एक था। उन्होंने बाद में पाया कि रन्ध्र में पेश किए गए धनायनों की जलरागी प्रकृति को बढ़ाने से प्रोटॉन चालकता और भी अधिक बढ़ सकती है। इस कम तापमान शासन में जो जलयोजन की डिग्री पर निर्भर है, यह भी दिखाया गया है कि प्रोटॉन चालकता नमी के स्तर पर बहुत अधिक निर्भर है।

उच्च तापमान अजल उदाहरण PCMOF2 है, जिसमें ट्राइसल्फोनेटेड बेंजीन व्युत्पन्न के लिए समन्वित सोडियम आयन होते हैं। प्रदर्शन में सुधार करने और उच्च संचालन तापमान की अनुमति देने के लिए, पानी को रन्ध्र के भीतर कम अस्थिर इमिडाज़ोल या ट्रायज़ोल अणुओं द्वारा प्रोटॉन वाहक के रूप में प्रतिस्थापित किया जा सकता है। 5 × 10−4 सीमेंस / सेंटीमीटर की इष्टतम चालकता के साथ प्राप्त अधिकतम तापमान 150 डिग्री सेल्सियस था, जो अन्य विद्युत धारा वैद्युतअपघट्य झिल्ली से कम है। चूंकि, यह मॉडल अपने तापमान शासन, अजल स्थितियों और रन्ध्र के भीतर अतिथि अणुओं की मात्रा को नियंत्रित करने की क्षमता के लिए वादा करता है, जिनमें से सभी ने प्रोटॉन चालकता की स्थिरता के लिए अनुमति दी है। इसके अतिरिक्त, ट्राईज़ोल-लोडेड PCMOF2 को H2/वायु झिल्ली-इलेक्ट्रोड असेंबली में सम्मलित किया गया और 100 डिग्री सेल्सियस पर 1.18 वोल्ट का विवृत परिपथ वोल्टेज हासिल किया जो 72 घंटे तक स्थिर रहा और पूरे परीक्षण के दौरान गैस प्रगाढ रहने में कामयाब रहा। यह पहला उदाहरण था जिसने सिद्ध किया कि एमओएफ वास्तव में कार्यशील ईंधन सेल में लागू किया जा सकता है, और मध्यम संभावित अंतर ने दिखाया कि सरंध्रता के कारण ईंधन पारगमन कोई मुद्दा नहीं था।

आज तक, एमओएफ वैद्युतअपघट्य के लिए हासिल की गई उच्चतम प्रोटॉन चालकता 4.2 × 10−2 सीमेंस / सेंटीमीटर 25 डिग्री सेल्सियस पर आर्द्र परिस्थितियों (98% आरएच) के अनुसार है, जो नेफियन के साथ प्रतिस्पर्धी है। हाल के कुछ प्रयोगों ने पारंपरिक पुंज प्रतिदर्श या ऐकल क्रिस्टल के अतिरिक्त पतली-फिल्म एमओएफ झिल्ली का भी सफलतापूर्वक उत्पादन किया है, जो उनकी औद्योगिक प्रयोज्यता के लिए महत्वपूर्ण है। एक बार जब एमओएफ लगातार पर्याप्त चालकता स्तर, यांत्रिक शक्ति, जल स्थिरता और सरल प्रसंस्करण प्राप्त करने में सक्षम हो जाते हैं, तो उनके पास निकट भविष्य में पीईएमएफसी में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की क्षमता होती है।

एमओएफ को इलेक्ट्रोड उत्प्रेरक के लिए प्लेटिनम समूह धातु (पीजीएम) सामग्री के संभावित प्रतिस्थापन के रूप में भी लक्षित किया गया है, चूंकि यह शोध अभी भी विकास के प्रारंभिक चरण में है। पीईएमएफसी में, Pt कैथोड पर ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया (ओआरआर) एनोड पर ईंधन ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया की तुलना में काफी धीमी है, और इस प्रकार गैर-पीजीएम और धातु मुक्त उत्प्रेरकों को विकल्प के रूप में जांच की जा रही है। उच्च आयतनमितीय घनत्व, बड़े रन्ध्र सतह क्षेत्र, और एमओएफ में धातु-आयन साइटों का खुलापन उन्हें उत्प्रेरक अग्रदूतों के लिए आदर्श उम्मीदवार बनाता है। आशाजनक उत्प्रेरक क्षमताओं के बावजूद, इन प्रस्तावित एमओएफ-आधारित उत्प्रेरकों का स्थायित्व विद्युत धारा में वांछनीय से कम है और इस संदर्भ में ओआरआर तंत्र अभी भी पूरी तरह से समझा नहीं गया है।

उत्प्रेरक अनुसंधान
पीईएम ईंधन सेल के लिए उत्प्रेरक पर विद्युत धारा शोध को निम्नलिखित मुख्य उद्देश्यों में से एक के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है:

इन दृष्टिकोणों के उदाहरण निम्नलिखित अनुभागों में दिए गए हैं।
 * 1) विद्युत धारा पीईएम ईंधन सेल में उपयोग किए जाने वाले मानक कार्बन-समर्थित प्लैटिनम कण उत्प्रेरक की तुलना में उच्च उत्प्रेरक गतिविधि प्राप्त करने के लिए
 * 2) अशुद्धता गैसों द्वारा पीईएम ईंधन सेल उत्प्रेरकों के जहर को कम करने के लिए
 * 3) प्लैटिनम-आधारित उत्प्रेरकों के उपयोग के कारण ईंधन सेल की लागत को कम करने के लिए
 * 4) प्लैटिनम ग्रुप मेटल-फ्री विद्युत उत्प्रेरक की ओआरआर गतिविधि बढ़ाने के लिए

उत्प्रेरक गतिविधि में वृद्धि
जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, प्लैटिनम अब तक पीईएम ईंधन सेल उत्प्रेरक के लिए उपयोग किया जाने वाला सबसे प्रभावी तत्व है, और लगभग सभी विद्युत धारा पीईएम ईंधन सेल हाइड्रोजन ऑक्सीकरण और ऑक्सीजन की कमी दोनों को उत्प्रेरित करने के लिए संरध्र कार्बन समर्थन पर प्लैटिनम कणों का उपयोग करते हैं। चूंकि, उनकी उच्च लागत के कारण, विद्युत धारा Pt/C उत्प्रेरक व्यावसायीकरण के लिए व्यवहार्य नहीं हैं। अमेरिकी ऊर्जा विभाग का अनुमान है कि प्लैटिनम-आधारित उत्प्रेरकों को आंतरिक दहन इंजनों के यथार्थवादी विकल्प का प्रतिनिधित्व करने के लिए विद्युत धारा पीईएम ईंधन सेल डिजाइनों में उपयोग किए जाने वाले प्लैटिनम की तुलना में मोटे तौर पर चार गुना कम प्लैटिनम का उपयोग करने की आवश्यकता होगी। परिणाम स्वरुप, पीईएम ईंधन सेल के लिए उत्प्रेरक डिजाइन का मुख्य लक्ष्य प्लैटिनम की उत्प्रेरक गतिविधि को चार के कारक से बढ़ाना है जिससे कि समान प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए केवल एक-चौथाई कीमती धातु की आवश्यकता हो।

प्लेटिनम उत्प्रेरकों के प्रदर्शन को बढ़ाने का एक तरीका प्लैटिनम कणों के आकार और आकार को अनुकूलित करना है। अकेले कणों के आकार को कम करने से उपयोग किए गए प्लेटिनम की प्रति मात्रा में प्रतिक्रियाओं में भाग लेने के लिए उपलब्ध उत्प्रेरक का कुल सतह क्षेत्र बढ़ जाता है, लेकिन हाल के अध्ययनों ने उत्प्रेरक प्रदर्शन में और सुधार करने के अतिरिक्त तरीकों का प्रदर्शन किया है। उदाहरण के लिए, अध्ययन विवरणी करता है कि प्लेटिनम नैनोकणों के उच्च-सूचकांक पहलू (जो कि बड़े पूर्णांक वाले मिलर सूचकांक हैं, जैसे कि Pt (730) विशिष्ट प्लैटिनम नैनोकणों की तुलना में ऑक्सीजन की कमी के लिए प्रतिक्रियाशील साइटों का अधिक घनत्व प्रदान करते हैं।

चूंकि सबसे आम और प्रभावी उत्प्रेरक, प्लैटिनम बेहद महंगा है, सतह क्षेत्र को अधिकतम करने और भरण को कम करने के लिए वैकल्पिक प्रसंस्करण आवश्यक है। कार्बन पाउडर (Pt/C) पर नैनोसाइज़्ड Pt कणों का निक्षेपण बड़ा Pt सतह क्षेत्र प्रदान करता है जबकि कार्बन उत्प्रेरक और बाकी सेल के बीच विद्युत संयोजन की अनुमति देता है। प्लेटिनम इतना प्रभावी है क्योंकि इसमें उच्च गतिविधि है और हाइड्रोजन के लिए बंधन पर्याप्त रूप से पर्याप्त रूप से इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की सुविधा के लिए है लेकिन हाइड्रोजन को सेल के चारों ओर घूमने से रोकता नहीं है। चूंकि, कैथोड ऑक्सीजन कमी प्रतिक्रिया में प्लैटिनम कम सक्रिय है। इससे अधिक प्लेटिनम के उपयोग की आवश्यकता होती है, जिससे सेल का खर्च बढ़ जाता है और इस प्रकार व्यवहार्यता बढ़ जाती है। सेल की अत्यधिक अम्लता के कारण कई संभावित उत्प्रेरक विकल्पों को खारिज कर दिया गया है।

कार्बन पाउडर पर नैनोस्केल Pt प्राप्त करने का सबसे प्रभावी तरीका, जो विद्युत धारा में सबसे अच्छा विकल्प है, निर्वाती विक्षेपण, कणक्षेपण और वैद्युत निक्षेपण के माध्यम से है। प्लेटिनम कण कार्बन पेपर पर जमा होते हैं जो पीटीएफई के साथ पारगम्य है। चूंकि, इस उत्प्रेरक परत में इष्टतम पतलापन है, जो निम्न लागत सीमा को सीमित करता है। 4 एनएम से नीचे, Pt अपनी गतिविधि को सीमित करते हुए, कागज पर द्वीप बना देगा। इस मोटाई के ऊपर, Pt कार्बन को कोट करेगा और प्रभावी उत्प्रेरक होगा। चीजों को और जटिल करने के लिए, नफियन को 10 um से अधिक घुसपैठ नहीं किया जा सकता है, इसलिए इससे अधिक Pt का उपयोग करना अनावश्यक व्यय है। इस प्रकार उत्प्रेरक की मात्रा और आकार अन्य पदार्थ की बाधाओं द्वारा सीमित होता है।

प्लेटिनम की उत्प्रेरक गतिविधि को बढ़ाने का दूसरा तरीका इसे अन्य धातुओं के साथ मिश्रित करना है। उदाहरण के लिए, यह हाल ही में दिखाया गया था कि Pt3Ni(111) सतह में शुद्ध Pt(111) की तुलना में दस गुना अधिक ऑक्सीजन कमी गतिविधि है। लेखक इस प्रभावशाली प्रदर्शन को सतह की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में संशोधन के लिए विशेषता देते हैं, पीईएम ईंधन सेल में सम्मलित ऑक्सीजन युक्त आयनिक प्रजातियों के बंधन की प्रवृत्ति को कम करते हैं और इसलिए ऑक्सीजन सोखना और कमी के लिए उपलब्ध साइटों की संख्या में वृद्धि करते हैं।

वायुमंडलीय स्थितियों के अनुसार वैद्युतअपघट्य परत या कार्बन पेपर पर प्लेटिनम उत्प्रेरक को लागू करने के लिए पराध्वनिक नोजल का उपयोग करके और अधिक दक्षता हासिल की जा सकती है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च दक्षता स्प्रे होता है। अध्ययनों से पता चला है कि इस प्रकार के स्प्रे द्वारा बनाई गई बूंदों के समान आकार के कारण, प्रौद्योगिकी की उच्च हस्तांतरण दक्षता के कारण, नोजल की अरोधी प्रकृति के कारण और अंत में इस तथ्य के कारण कि पराध्वनिक ऊर्जा डी-एग्लोमेरेट्स से ठीक पहले निलंबन को एकत्रित करता है, एमईए द्वारा इस तरह से निर्मित ईंधन सेल में अंतिम एमईए में अधिक समरूपता होती है, और सेल के माध्यम से गैस का प्रवाह अधिक समान होता है, जिससे एमईए में प्लेटिनम की दक्षता अधिकतम हो जाती है। झिल्ली पर उत्प्रेरक को जमा करने के लिए इंकजेट प्रिंटिंग का उपयोग करने वाले हाल के अध्ययनों ने भी जमा उत्प्रेरक परतों की कम मोटाई के कारण उच्च उत्प्रेरक उपयोग दिखाया है।

अभी हाल ही में, Pt-M (M-Fe Co) प्रणाली के मामले में ओआरआर इलेक्ट्रोकैटेलिस्ट का नया वर्ग पेश किया गया है, जिसमें एक Pt-समृद्ध खोल के भीतर क्रमबद्ध इंटरमेटेलिक कोर है। ये इंटरमेटेलिक कोर-शेल (IMCS) नैनोकैटेलिस्ट बढ़ी हुई गतिविधि और सबसे महत्वपूर्ण, कई पिछले डिज़ाइनों की तुलना में विस्तारित स्थायित्व प्रदर्शित करने के लिए पाए गए। जबकि गतिविधियों में देखी गई वृद्धि विकृत जाली के रूप में बताई गई है, लेखक विवरणी करते हैं कि गिरावट गतिकी पर उनके निष्कर्ष यह स्थापित करते हैं कि विस्तारित उत्प्रेरक स्थायित्व एक निरंतर परमाणु क्रम के लिए जिम्मेदार है।

विषाक्तता कम करना
उत्प्रेरक के प्रदर्शन में सुधार के लिए अन्य लोकप्रिय दृष्टिकोण ईंधन स्रोत, विशेष रूप से कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) में अशुद्धियों के प्रति इसकी संवेदनशीलता को कम करना है। विद्युत धारा में, शुद्ध हाइड्रोजन गैस विद्युत अपघटन द्वारा बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए किफायती होती जा रही है। हालाँकि, इस समय अधिकांश हाइड्रोजन गैस भाप सुधार प्रकाश हाइड्रोकार्बन द्वारा उत्पादित की जाती है, एक प्रक्रिया जो गैसों के मिश्रण का उत्पादन करती है जिसमें CO (1–3%), CO2 (19–25%), और N2 (25%) भी होते हैं। [41] CO के प्रति मिलियन भाग भी एक शुद्ध प्लैटिनम उत्प्रेरक को जहर कर सकते हैं, इसलिए CO के लिए प्लैटिनम का प्रतिरोध बढ़ाना अनुसंधान का सक्रिय क्षेत्र है।

उदाहरण के लिए, एक अध्ययन में बताया गया है कि (100) पहलुओं वाले घन के आकार के प्लेटिनम नैनोकणों ने समान आकार के बेतरतीब ढंग से अंकित प्लैटिनम नैनोकणों की तुलना में ऑक्सीजन की कमी की गतिविधि में चार गुना वृद्धि प्रदर्शित की है। लेखकों ने निष्कर्ष निकाला कि बेतरतीब ढंग से आकार वाले नैनोकणों के (111) पहलू (100) पहलुओं की तुलना में सल्फेट आयनों से अधिक मजबूती से बंधे होते हैं, जिससे ऑक्सीजन अणुओं के लिए खुले उत्प्रेरक स्थलों की संख्या कम हो जाती है। इसके विपरीत, जिन नैनोक्यूब्स को उन्होंने संश्लेषित किया, उनमें लगभग विशेष रूप से (100) पहलू थे, जो सल्फेट के साथ अधिक कमजोर रूप से बातचीत करने के लिए जाने जाते हैं। परिणाम स्वरुप, उन कणों के सतह क्षेत्र का बड़ा अंश, उत्प्रेरक की ऑक्सीजन कमी गतिविधि को बढ़ावा देने के लिए ऑक्सीजन की कमी के लिए उपलब्ध था।

इसके अतिरिक्त, शोधकर्ता उत्प्रेरकों को विषाक्तीकरण से बचने के संभावित तरीके के रूप में ईंधन सेल में प्रवेश करने से पहले हाइड्रोजन ईंधन की CO सामग्री को कम करने के तरीकों की जांच कर रहे हैं। हाल ही के अध्ययन से पता चला है कि रूथेनियम-प्लैटिनम कोर-शैल नैनोपार्टिकल्स विशेष रूप से CO को ऑक्सीकरण करके CO2 बनाने में प्रभावी हैं, जो बहुत कम हानिकारक ईंधन संदूषक है। यह तंत्र जो इस प्रभाव को उत्पन्न करता है, वैचारिक रूप से ऊपर Pt3Ni के लिए वर्णित के समान है: कण का रुथेनियम कोर प्लैटिनम सतह की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बदल देता है, जिससे यह CO के ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करने में बेहतर हो जाता है।

कम लागत
पीईएम ईंधन सेल की व्यवहार्यता के लिए चुनौती आज भी उनकी लागत और स्थिरता में बनी हुई है। पीईएम सेल की उत्प्रेरक परत में प्लेटिनम की कीमती धातु के उपयोग के लिए उच्च लागत को बड़े हिस्से में जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इलेक्ट्रोकैटलिस्ट विद्युत धारा में ईंधन सेल स्टैक की लागत का लगभग आधा हिस्सा है। चूंकि पिछले एक दशक में पीईएम ईंधन सेल की Pt भरण परिमाण के दो आदेशों से कम हो गई है, व्यावसायीकरण के लिए प्रौद्योगिकी को आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए और कमी आवश्यक है। जबकि कुछ शोध प्रयासों का उद्देश्य Pt-आधारित उत्प्रेरकों की इलेक्ट्रोकैटलिटिक गतिविधि में सुधार करके इस मुद्दे को संबोधित करना है, एक विकल्प गैर-प्लैटिनम-ग्रुप-मेटल (गैर-पीजीएम) कैथोड उत्प्रेरक विकसित करके Pt के उपयोग को पूरी तरह से समाप्त करना है, जिसका प्रदर्शन प्रतिद्वंद्वियों Pt-आधारित प्रौद्योगिकियों की है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग ईंधन सेल के विकास के लिए मील के पत्थर स्थापित कर रहा है, 5000 घंटे के स्थायित्व और 300 A cm−3 की गैर-पीजीएम उत्प्रेरक ओआरआर आयतनमितीय गतिविधि को लक्षित करता है।

धातु/नाइट्रोजन/कार्बन-उत्प्रेरक (एम/एन/सी-उत्प्रेरक) Pt-आधारित उत्प्रेरकों के लिए आशाजनक विकल्प हैं। उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने के लिए, या सेल के सतह क्षेत्र पर बिजली का उत्पादन, Pt-आधारित उत्प्रेरकों की कम से कम 1/10 की आयतनमितीय गतिविधि को, अच्छे जन परिवहन गुणों के साथ पूरा किया जाना चाहिए। जबकि एम/एन/सी-उत्प्रेरक अभी भी Pt-आधारित उत्प्रेरकों की तुलना में खराब आयतनमितीय गतिविधियों का प्रदर्शन करते हैं, ऐसे उत्प्रेरकों की कम लागत क्षतिपूर्ति के लिए अधिक भरण की अनुमति देती है। चूंकि, एम/एन/सी-उत्प्रेरक का भार बढ़ने से भी उत्प्रेरक परत मोटी हो जाती है, जिससे इसके बड़े पैमाने पर परिवहन गुण खराब हो जाते हैं। दूसरे शब्दों में, H2, O2, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों को उत्प्रेरक परत के माध्यम से प्रवास करने में अधिक कठिनाई होती है, जिससे सेल का वोल्टेज निर्गत कम हो जाता है। जबकि एम/एन/सी कैटेलिटिक नेटवर्क के उच्च सूक्ष्मरंध्रता के परिणामस्वरूप उच्च आयतनमितीय गतिविधि होती है, बेहतर जन परिवहन गुण इसके बजाय नेटवर्क के मैक्रोपोरोसिटी से जुड़े होते हैं। इन एम/एन/सी पदार्थ को उच्च तापमान तापीय अपघटन और धातु, नाइट्रोजन, और कार्बन युक्त अग्रदूतों के अन्य उच्च तापमान उपचारों का उपयोग करके संश्लेषित किया जाता है।

हाल ही में, शोधकर्ताओं ने आयरन (II) एसीटेट (FeAc), फेनेंथ्रोलाइन (Phen), और मेटल-ऑर्गेनिक-फ्रेमवर्क (एमओएफ) होस्ट से प्राप्त Fe/N/C उत्प्रेरक विकसित किया है। एमओएफ एक Zn(II) जिओलाइटिक इमिडाजोलेट फ्रेमवर्क (ZIF) है जिसे ZIF-8 कहा जाता है, जो ओआरआर गतिविधि के लिए अनुकूल उच्च सूक्ष्म सतह क्षेत्र और उच्च नाइट्रोजन सामग्री को प्रदर्शित करता है। FeAc/Phen/ZIF-8-उत्प्रेरक का शक्ति घनत्व 0.6 वोल्ट पर 0.75 W cm−2 पाया गया। यह मान पिछले M/N/C के अधिकतम 0.37 W cm−2 शक्ति घनत्व पर महत्वपूर्ण सुधार है।  उत्प्रेरक और 0.3 mg cm−2 के Pt भरण के साथ Pt-आधारित उत्प्रेरक के लिए 1.0-1.2  W cm−2 के विशिष्ट मूल्य के मिलान के बहुत करीब है। उत्प्रेरक ने 230 A·cm−3 की मात्रात्मक गतिविधि का भी प्रदर्शन किया, जो गैर-पीजीएम उत्प्रेरकों के लिए अब तक का उच्चतम मूल्य है, जो यू.एस. ऊर्जा विभाग के मील के पत्थर तक पहुंच रहा है।

जबकि उपन्यास FeAc/Phen/ZIF-8-उत्प्रेरक द्वारा प्राप्त शक्ति घनत्व आशाजनक है, इसका स्थायित्व व्यावसायिक अनुप्रयोग के लिए अपर्याप्त है। यह बताया गया है कि इस उत्प्रेरक द्वारा प्रदर्शित सर्वोत्तम स्थायित्व में अभी भी H2/वायु में 100 घंटे से अधिक विद्युत धारा घनत्व में 15% की गिरावट थी। इसलिए जबकि Fe-आधारित गैर-पीजीएम उत्प्रेरक प्रतिद्वंद्वी Pt-आधारित उत्प्रेरकों को उनके इलेक्ट्रोकैटलिटिक गतिविधि में, उनके क्षरण तंत्र को समझने और उनके स्थायित्व में सुधार करने के लिए अभी भी बहुत काम किया जाना बाकी है।

अनुप्रयोग
पीईएम ईंधन सेल का प्रमुख अनुप्रयोग मुख्य रूप से पर्यावरण पर उनके संभावित प्रभाव के कारण परिवहन पर केंद्रित है, उदाहरण ग्रीन हाउस गैसों (जीएचजी) के उत्सर्जन पर नियंत्रण है। अन्य अनुप्रयोगों में वितरित/स्थिर और सुवाहय बिजली उत्पादन सम्मलित हैं। अधिकांश प्रमुख मोटर कंपनियां अपने उच्च शक्ति घनत्व और अन्य प्रकार के ईंधन सेल की तुलना में उत्कृष्ट गतिशील विशेषताओं के कारण पूरी तरह से पीईएम ईंधन सेल पर काम करती हैं। उनके हल्के वजन के कारण, पीईएमएफसी परिवहन अनुप्रयोगों के लिए सबसे उपयुक्त हैं। ईंधन के लिए संपीड़ित हाइड्रोजन का उपयोग करने वाली बसों के लिए पीईएमएफसी 40% दक्षता तक काम कर सकते हैं। सामान्यतः पीईएमएफसी को छोटी कारों की तुलना में बसों पर लागू किया जाता है क्योंकि प्रणाली को रखने और ईंधन को संग्रह करने के लिए उपलब्ध मात्रा होती है। परिवहन के लिए तकनीकी मुद्दों में पीईएम को विद्युत धारा वाहन प्रौद्योगिकी में सम्मलित करना और ऊर्जा प्रणालियों को अद्यतन करना सम्मलित है। यदि जीवाश्म ईंधन से हाइड्रोजन प्राप्त किया जाता है तो पूर्ण ईंधन सेल वाहन लाभप्रद नहीं होते हैं; चूंकि, संकर के रूप में लागू किए जाने पर वे लाभकारी हो जाते हैं। स्थिर बिजली उत्पादन के लिए पीईएमएफसी के उपयोग की संभावना है, जहां वे 30% दक्षता पर 5 किलोवाट्ट प्रदान करते हैं; हालाँकि, वे अन्य प्रकार के ईंधन सेल, मुख्य रूप से एसओएफसी और एमसीएफसी के साथ प्रतिस्पर्धा में भाग लेते हैं। जबकि पीईएमएफसी को सामान्यतः संचालन के लिए उच्च शुद्धता वाले हाइड्रोजन की आवश्यकता होती है, अन्य ईंधन सेल प्रकार मीथेन पर चल सकते हैं और इस प्रकार अधिक नम्य प्रणालियां हैं। इसलिए, आर्थिक रूप से मापनीय शुद्ध हाइड्रोजन उपलब्ध होने तक पीईएमएफसी छोटे पैमाने की प्रणालियों के लिए सर्वोत्तम हैं। इसके अतिरिक्त, पीईएमएफसी में सुवाहय इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बैटरियों को बदलने की संभावना है, चूंकि हाइड्रोजन आपूर्ति का एकीकरण तकनीकी, विशेष रूप से उपकरण के भीतर इसे संग्रह करने के लिए सुविधाजनक स्थान के बिना चुनौती है।

इतिहास
पीईएम ईंधन सेल के आविष्कार से पहले, मौजूदा ईंधन सेल प्रकार जैसे कि ठोस-ऑक्साइड ईंधन सेल का उपयोग केवल चरम स्थितियों में किया जाता था। ऐसे ईंधन सेल के लिए भी बहुत महंगी सामग्री की आवश्यकता होती है और इसका उपयोग केवल उनके आकार के कारण स्थिर अनुप्रयोगों के लिए किया जा सकता है। इन मुद्दों को पीईएम ईंधन सेल द्वारा संबोधित किया गया था। पीईएम ईंधन सेल का आविष्कार 1960 के दशक की शुरुआत में जनरल इलेक्ट्रिक के विलार्ड थॉमस ग्रब और लियोनार्ड निएडराच द्वारा किया गया था। प्रारंभ में, अपघट्य के लिए सल्फोनेटेड पॉलीस्टीरिन झिल्ली का उपयोग किया गया था, लेकिन उन्हें 1966 में नेफियन आयनोमर द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था, जो सल्फोनेटेड पॉलीस्टाइनिन के प्रदर्शन और स्थायित्व में बेहतर सिद्ध हुआ।

पीईएम ईंधन सेल का उपयोग नासा जेमिनी श्रृंखला के अंतरिक्ष यान में किया गया था, लेकिन उन्हें अपोलो कार्यक्रम और अंतरिक्ष शटल में क्षारीय ईंधन सेल द्वारा प्रतिस्थापित किया गया था। जनरल इलेक्ट्रिक ने पीईएम सेल पर काम करना जारी रखा और 1970 के दशक के मध्य में समुद्र के नीचे जीवन समर्थन के लिए पीईएम जल विद्युतपघटन तकनीक विकसित की, जिससे यूएस नेवी ऑक्सीजन जनरेटिंग प्लांट का नेतृत्व किया। ब्रिटिश रॉयल नेवी ने 1980 के दशक की शुरुआत में अपने पनडुब्बी बेड़े के लिए इस तकनीक को अपनाया। 1980 के दशक के अंत और 1990 के दशक की शुरुआत में, लॉस अलामोस नेशनल लैब और टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी ने पीईएम सेल के लिए आवश्यक प्लेटिनम की मात्रा को कम करने के तरीकों के साथ प्रयोग किया।

प्रैट और व्हिटनी वायुयान के समानांतर, जनरल इलेक्ट्रिक ने 1960 के दशक की शुरुआत में जेमिनी अंतरिक्ष मिशन के लिए पहला प्रोटॉन विनिमय झिल्ली ईंधन सेल (पीईएमएफसी) विकसित किया। पीईएमएफसी का उपयोग करने वाला पहला मिशन जेमिनी वी था। चूंकि, अपोलो कार्यक्रम और बाद में अपोलो-सोयुज परीक्षण मिशन और बाद में स्काईलैब और स्पेस शटल मिशनों ने प्रैट और व्हिटनी वायुयान द्वारा विकसित बेकन के डिजाइन पर आधारित ईंधन सेल का उपयोग किया।

अत्यधिक महंगी सामग्री का उपयोग किया गया और ईंधन सेल को बहुत शुद्ध हाइड्रोजन और ऑक्सीजन की आवश्यकता थी। प्रारंभिक ईंधन सेल को असुविधाजनक रूप से उच्च परिचालन तापमान की आवश्यकता होती थी जो कि कई अनुप्रयोगों में समस्या थी। चूंकि, बड़ी मात्रा में उपलब्ध ईंधन (हाइड्रोजन और ऑक्सीजन) के कारण ईंधन सेल को वांछनीय माना जाता था।

अंतरिक्ष कार्यक्रमों में उनकी सफलता के बावजूद, ईंधन सेल प्रणालियाँ अंतरिक्ष मिशनों और अन्य विशेष अनुप्रयोगों तक सीमित थीं, जहाँ उच्च लागत को सहन किया जा सकता था। 1980 के दशक के अंत और 1990 के दशक की शुरुआत तक यह नहीं था कि व्यापक अनुप्रयोग आधार के लिए ईंधन सेल वास्तविक विकल्प बन गए। कम प्लेटिनम उत्प्रेरक भरण और पतली फिल्म इलेक्ट्रोड जैसे कई महत्वपूर्ण नवाचारों ने ईंधन सेल की लागत को कम कर दिया, जिससे पीईएमएफसी प्रणाली का विकास अधिक यथार्थवादी हो गया। हालाँकि, इस बात पर महत्वपूर्ण बहस है कि क्या हाइड्रोजन ईंधन सेल ऑटोमोबाइल या अन्य वाहन में उपयोग के लिए यथार्थवादी तकनीक होगी। (हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था देखें।) पीईएमएफसी उत्पादन का बड़ा हिस्सा टोयोटा मिराई के लिए है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग का अनुमान है कि 2016 की कीमत $53/किलोवाट है यदि प्रति वर्ष 500,000 इकाइयां बनाई जाती हैं।

यह भी देखें

 * गतिशील हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड
 * गैस प्रसार इलेक्ट्रोड
 * ईंधन सेल शर्तों की शब्दावली
 * उच्च तापमान प्रोटॉन विनिमय झिल्ली ईंधन सेल
 * हाइड्रोजन सल्फाइड सेंसर
 * विद्युत्-टू-वेट अनुपात
 * प्रतिवर्ती हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड
 * हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों की समयरेखा

बाहरी कड़ियाँ

 * Gas diffusion layer and catalyst layer, 3D animation
 * Fuel Cell elements, 3D animation
 * Open Source पीईएम Fuel Cell Simulation Tool

연료전지