Proton değişim membranlı (PEM) yakıt hücreleri"karbon zirvesine ulaşmak ve "karbon nötrlüğüne ulaşmak için en umut verici teknolojiler arasındadır. PEM yakıt hücreleri son birkaç yüzyılda inişler ve çıkışlar yaşamış olsa da, şu anda sürdürülebilir bir toplum inşa etmede önemli bir rol oynamaktadır. GünümüzünPEM yakıt hücreleriönceki nesillere kıyasla önemli ölçüde daha düşük platin (Pt) yüklemeleri sunar. Örneğin, ilk ticari PEM yakıt hücreli araç olan birinci nesil Toyota Mirai yakıt hücresinin (2017) toplam Pt yüklemesi yalnızca 0,365 mg cm⁻²'dir; bu, 35 mg cm⁻² Pt yüklemesine sahip olan ve elektrolit olarak potasyum hidroksit çözeltisi kullanan 1962'den kalma ilk pratik yakıt hücresine kıyasla önemli bir azalmadır. PEM yakıt hücrelerindeki önemli ilerlemeler yalnızca katalitik katmanların geliştirilmesine değil, aynı zamanda geleneksel asit/baz çözeltisi elektrolitlerinin gelişmiş perflorosülfonik asit reçineleriyle (Nafion gibi) değiştirilmesine de atfedilir. 1970'lerde tanıtılmalarından bu yana, bu malzemeler membran elektrot düzeneklerinin (MEA'lar) yapısını ve ilgili üretim süreçlerini geliştirmiştir.
PEM yakıt hücreleriaraçlar için güç kaynağı olarak hizmet etmek gibi ticari uygulamalar yavaş yavaş ortaya çıktı. Toyota, Hyundai ve Honda gibi şirketler yakıt hücreli araçları piyasaya sürdü. Ancak,PEM yakıt hücrelerişu anda içten yanmalı motorlar ve pillerle rekabet halindedir, bunun başlıca nedeni yüksek maliyetleri ve daha kısa ömürleridir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için gelişmiş malzemelerin ve üretim teknolojilerinin geliştirilmesi esastır. Bu ilerleme, işletmeler, üniversiteler, araştırma kurumları, müşteriler ve hükümetler arasında yakın iş birliği gerektirir. Bu süreçte, temel araştırma yüksek performanslı ve dayanıklı MEA'lar geliştirmeye odaklanmalı, endüstriyel çabalar ise temel malzemelerin ve bileşenlerin üretimini ölçeklendirmeyi düşünmelidir. Şu anda, katalizörler, iyonomerler, membranlar ve gaz difüzyon katmanları (GDL'ler) dahil olmak üzere MEA'ların bileşenleri endüstriyel üretimde başarıyla uygulanmaktadır. Ancak, bu malzemelerin MEA'lara entegre edilmesi genellikle önemli performans kayıplarına neden olur. Teknik topluluk, bileşenlerin uyumluluğuna önemli ölçüde dikkat etmiş ve bu anlayışa dayalı olarak iyileştirilmiş MEA üretim süreçleri geliştirmiştir.
2. Membran Elektrot için Temel Malzemelerdeki Son Gelişmeler
MEA, elektrokimyasal reaksiyonlar için ana bölgedir ve PEM yakıt hücrelerinde temel bir rol oynar. MEA'lar genellikle altı ana bileşenden oluşur: katalizörler, iyonomerler, proton değişim membranları, gaz difüzyon katmanları (GDL'ler), yapıştırıcılar ve çerçeveler. MEA'ların çalışma mekanizması şekillerde gösterilmiştir. Elektrik enerjisi, anot ve katotta meydana gelen bağımsız redoks reaksiyonları yoluyla üretilir. Bu nedenle, bu redoks reaksiyonlarının kinetiğini incelemek esastır ve bu da reaksiyon kinetiğini hızlandırmak için verimli katalizörler gerektirir. Tipik olarak, katalizörler GDL ve PEM arasında bulunan katalizör tabakasında çalışır. Katalizör tabakasındaki proton transferini kolaylaştırmak ve mekanik mukavemetini artırmak için proton iletken özelliklere sahip iyonomerlerin uygulanması gerekir. İyonomerin bileşimi genellikle proton değişim membranının bileşimiyle eşleşir ve bu da çalışma sırasında hidrojen ve oksijenin geçişini önlerken anottan katoda hızlı proton transferine izin verir. Ek olarak, her iki taraftaki hidrofobik GDL'ler gaz dağıtımı ve yakıt hücrelerinde su yönetimi için elzem olan fazla nemin giderilmesi için hayati öneme sahiptir. Bu malzemeler MEA'ların özünde yer alır.
