Топливные элементы с протонообменной мембраной (ПОМ)являются одними из самых перспективных технологий для достижения пика выбросов углерода и нейтральности выбросов углерода. Хотя топливные элементы пережили взлеты и падения за последние несколько столетий, в настоящее время они играют решающую роль в построении устойчивого общества. Сегоднятопливные элементы предлагают значительно более низкие нагрузки платины () по сравнению с предыдущими поколениями. Например, общая нагрузка топливного элемента первого поколения (2017), который был первым коммерческим транспортным средством с топливным элементом , составляет всего 0,365 мг см⁻², что существенно меньше по сравнению с первым практическим топливным элементом 1962 года, который имел нагрузку 35 мг см⁻² и использовал раствор гидроксида калия в качестве электролита. Значительные достижения в топливных элементах связаны не только с разработкой каталитических слоев, но и с заменой традиционных электролитов на основе кислотных/щелочных растворов на усовершенствованные смолы перфторсульфоновой кислоты (такие как ). С момента их появления в 1970-х годах эти материалы развили структуру мембранных электродных узлов () и связанных с ними производственных процессов.
топливные элементы постепенно нашли коммерческое применение, например, в качестве источников энергии для транспортных средств. Такие компании, как , и выпустили на рынок транспортные средства на топливных элементах. Однако,топливные элементы В настоящее время конкуренция со стороны двигателей внутреннего сгорания и аккумуляторов обусловлена в первую очередь их высокой стоимостью и коротким сроком службы. Для преодоления этих проблем необходимо разрабатывать передовые материалы и технологии производства. Этот прогресс требует тесного сотрудничества между предприятиями, университетами, научно-исследовательскими институтами, клиентами и правительствами. В этом процессе фундаментальные исследования должны быть сосредоточены на разработке высокопроизводительных и долговечных МЭБ, в то время как промышленные усилия должны учитывать масштабирование производства ключевых материалов и компонентов. В настоящее время компоненты МЭБ, включая катализаторы, иономеры, мембраны и газодиффузионные слои (ГДС), успешно внедрены в промышленное производство. Однако интеграция этих материалов в МЭБ часто приводит к значительным потерям производительности. Техническое сообщество уделяет большое внимание совместимости компонентов и разработало улучшенные процессы производства МЭБ на основе этого понимания.
2. Последние достижения в области основных материалов для мембранных электродов
является основным местом электрохимических реакций и играет ключевую роль в топливных элементах . обычно состоят из шести основных компонентов: катализаторов, иономеров, протонообменных мембран, газодиффузионных слоев (), адгезивов и рамок. Механизм работы проиллюстрирован на рисунках. Электрическая энергия вырабатывается посредством независимых окислительно-восстановительных реакций, происходящих на аноде и катоде. Поэтому изучение кинетики этих окислительно-восстановительных реакций имеет важное значение, что требует эффективных катализаторов для ускорения кинетики реакции. Обычно катализаторы работают в слое катализатора, расположенном между и . Для облегчения переноса протонов в слое катализатора и повышения его механической прочности необходимо применять иономеры с протонпроводящими свойствами. Состав иономера обычно соответствует составу протонообменной мембраны, что обеспечивает быстрый перенос протонов от анода к катоду, предотвращая при этом переход водорода и кислорода во время работы. Кроме того, гидрофобные с обеих сторон имеют решающее значение для распределения газа и удаления избыточной влаги, что необходимо для управления водой в топливных элементах. Эти материалы лежат в основе .
