Κυψέλες καυσίμου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων ().είναι από τις πιο πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες για την επίτευξη και ουδετερότητας. Αν και οι κυψέλες καυσίμου γνώρισαν σκαμπανεβάσματα τους τελευταίους αιώνες, επί του παρόντος διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην οικοδόμηση μιας βιώσιμης κοινωνίας. Το σημερινόΚυψέλες καυσίμου προσφέρουν σημαντικά χαμηλότερα φορτία πλατίνας () σε σύγκριση με προηγούμενες γενιές. Για παράδειγμα, η συνολική φόρτωση της κυψέλης καυσίμου πρώτης γενιάς (2017), η οποία ήταν το πρώτο όχημα κυψελών καυσίμου που διατέθηκε στο εμπόριο, είναι μόνο 0,365 -², μια σημαντική μείωση σε σύγκριση με την πρώτη πρακτική κυψέλη καυσίμου από το 1962, η οποία είχε φόρτωση 35 . Οι σημαντικές εξελίξεις στις κυψέλες καυσίμου αποδίδονται όχι μόνο στην ανάπτυξη καταλυτικών στρωμάτων αλλά και στην αντικατάσταση των παραδοσιακών ηλεκτρολυτών διαλύματος οξέος/βάσης με προηγμένες ρητίνες υπερφθοροσουλφονικού οξέος (όπως το ). Από την εισαγωγή τους στη δεκαετία του 1970, αυτά τα υλικά έχουν εξελίξει τη δομή των συγκροτημάτων ηλεκτροδίων μεμβράνης () και τις σχετικές διαδικασίες κατασκευής.
Κυψέλες καυσίμου έχουν βρει σταδιακά εμπορικές εφαρμογές, όπως να χρησιμεύουν ως πηγές ενέργειας για οχήματα. Εταιρείες όπως η , η και η έχουν κυκλοφορήσει στην αγορά οχήματα κυψελών καυσίμου. Ωστόσο,Κυψέλες καυσίμου επί του παρόντος αντιμετωπίζουν ανταγωνισμό από κινητήρες και μπαταρίες εσωτερικής καύσης, κυρίως λόγω του υψηλού κόστους και της μικρότερης διάρκειας ζωής τους. Για να ξεπεραστούν αυτές οι προκλήσεις, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη προηγμένων υλικών και τεχνολογιών κατασκευής. Αυτή η πρόοδος απαιτεί στενή συνεργασία μεταξύ επιχειρήσεων, πανεπιστημίων, ερευνητικών ιδρυμάτων, πελατών και κυβερνήσεων. Σε αυτή τη διαδικασία, η θεμελιώδης έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στην ανάπτυξη υψηλής απόδοσης και ανθεκτικότητας, ενώ οι βιομηχανικές προσπάθειες θα πρέπει να εξετάσουν την κλιμάκωση της παραγωγής βασικών υλικών και εξαρτημάτων. Επί του παρόντος, τα συστατικά των ΜΕΑ, συμπεριλαμβανομένων των καταλυτών, των ιονομερών, των μεμβρανών και των στρωμάτων διάχυσης αερίου (), έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στη βιομηχανική παραγωγή. Ωστόσο, η ενσωμάτωση αυτών των υλικών στα ΜΕΑ οδηγεί συχνά σε σημαντικές απώλειες απόδοσης. Η τεχνική κοινότητα έχει δώσει μεγάλη προσοχή στη συμβατότητα των εξαρτημάτων και έχει αναπτύξει βελτιωμένες διαδικασίες κατασκευής ΜΕΑ με βάση αυτή την κατανόηση.
2. Τελευταίες εξελίξεις στα βασικά υλικά για ηλεκτρόδια μεμβράνης
Το ΜΕΑ είναι η κύρια τοποθεσία για ηλεκτροχημικές αντιδράσεις και παίζει βασικό ρόλο στις κυψέλες καυσίμου . Τα ΜΕΑ αποτελούνται συνήθως από έξι κύρια συστατικά: καταλύτες, ιονομερή, μεμβράνες ανταλλαγής πρωτονίων, στρώματα διάχυσης αερίων (), κόλλες και πλαίσια. Ο μηχανισμός λειτουργίας των ΜΕΑ απεικονίζεται στα σχήματα. Η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μέσω ανεξάρτητων οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στην άνοδο και την κάθοδο. Επομένως, η μελέτη της κινητικής αυτών των αντιδράσεων οξειδοαναγωγής είναι απαραίτητη, η οποία απαιτεί αποτελεσματικούς καταλύτες για να επιταχύνουν την κινητική της αντίδρασης. Συνήθως, οι καταλύτες λειτουργούν στο στρώμα καταλύτη, που βρίσκεται μεταξύ του και του . Για να διευκολυνθεί η μεταφορά πρωτονίων στο στρώμα του καταλύτη και να ενισχυθεί η μηχανική του αντοχή, πρέπει να εφαρμοστούν ιονομερή με ιδιότητες αγωγιμότητας πρωτονίων. Η σύνθεση του ιονομερούς συνήθως ταιριάζει με εκείνη της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, επιτρέποντας την ταχεία μεταφορά πρωτονίων από την άνοδο στην κάθοδο, αποτρέποντας παράλληλα τη διασταύρωση υδρογόνου και οξυγόνου κατά τη λειτουργία. Επιπλέον, τα υδρόφοβα και στις δύο πλευρές είναι ζωτικής σημασίας για τη διανομή αερίου και την απομάκρυνση της περίσσειας υγρασίας, η οποία είναι απαραίτητη για τη διαχείριση του νερού στις κυψέλες καυσίμου. Αυτά τα υλικά βρίσκονται στον πυρήνα των ΜΕΑ.
