Proton exchange membrane (PEM) bränslecellerär bland de mest lovande teknikerna för att uppnå "carbon peak" och "hcarbon neutrality." Även om PEM-bränsleceller har upplevt upp- och nedgångar under de senaste århundradena, spelar de för närvarande en avgörande roll för att bygga ett hållbart samhälle. DagensPEM bränslecellererbjuder betydligt lägre platina (Pt) laddningar jämfört med tidigare generationer. Till exempel är den totala Pt-belastningen av den första generationens Toyota Mirai-bränslecell (2017), som var det första kommersialiserade PEM-bränslecellsfordonet, endast 0,365 mg cm⁻², en avsevärd minskning jämfört med den första praktiska bränslecellen från 1962, som hade en Pt-belastning på 35 mg cm⁻² och använde som kaliumhydroxidlösning. De betydande framstegen inom PEM-bränsleceller tillskrivs inte bara utvecklingen av katalytiska skikt utan också till ersättningen av traditionella syra/baslösningselektrolyter med avancerade perfluorsulfonsyrahartser (som Nafion). Sedan de introducerades på 1970-talet har dessa material utvecklat strukturen hos membranelektrodaggregat (MEA) och relaterade tillverkningsprocesser.
PEM bränslecellerhar gradvis hittat kommersiella tillämpningar, som att fungera som kraftkällor för fordon. Företag som Toyota, Hyundai och Honda har lanserat bränslecellsfordon på marknaden. Dock,PEM bränslecellermöter för närvarande konkurrens från förbränningsmotorer och batterier, främst på grund av deras höga kostnader och kortare livslängd. För att övervinna dessa utmaningar är utvecklingen av avancerade material och tillverkningsteknologier avgörande. Dessa framsteg kräver ett nära samarbete mellan företag, universitet, forskningsinstitutioner, kunder och regeringar. I denna process bör grundforskning fokusera på att utveckla högpresterande och hållbara MEA, medan industriella ansträngningar bör överväga att skala upp produktionen av viktiga material och komponenter. För närvarande har komponenterna i MEA, inklusive katalysatorer, jonomerer, membran och gasdiffusionsskikt (GDL), framgångsrikt implementerats i industriell produktion. Men integrering av dessa material i MEA resulterar ofta i betydande prestandaförluster. Det tekniska samfundet har lagt stor uppmärksamhet på komponenternas kompatibilitet och har utvecklat förbättrade MEA-tillverkningsprocesser baserat på denna förståelse.
2. Senaste framstegen inom nyckelmaterial för membranelektroder
MEA är huvudplatsen för elektrokemiska reaktioner och spelar en central roll i PEM-bränsleceller. MEA består vanligtvis av sex huvudkomponenter: katalysatorer, jonomerer, protonbytarmembran, gasdiffusionsskikt (GDL), lim och ramar. Arbetsmekanismen för MEA illustreras i figurerna. Elektrisk energi genereras genom oberoende redoxreaktioner som sker vid anoden och katoden. Därför är det viktigt att studera kinetiken för dessa redoxreaktioner, vilket kräver effektiva katalysatorer för att accelerera reaktionskinetiken. Typiskt verkar katalysatorer i katalysatorskiktet, beläget mellan GDL och PEM. För att underlätta protonöverföring i katalysatorskiktet och förbättra dess mekaniska styrka måste jonomerer med protonledande egenskaper appliceras. Sammansättningen av jonomeren matchar vanligtvis protonutbytesmembranet, vilket möjliggör snabb protonöverföring från anoden till katoden samtidigt som korsning av väte och syre förhindras under drift. Dessutom är de hydrofoba GDL:erna på båda sidor avgörande för gasdistribution och för att ta bort överskottsfukt, vilket är viktigt för vattenhantering i bränsleceller. Dessa material är kärnan i MEA.
