เมมเบรน PEM รุ่นถัดไป: การเอาชนะข้อจำกัดด้านการแลกเปลี่ยนระหว่างความสามารถในการนำไฟฟ้ากับความทนทาน

ข้อจำกัดของเมมเบรน PEM ที่ใช้นาฟิออน: การบวม การเสื่อมสภาพทางเคมี และประสิทธิภาพที่ลดลงที่อุณหภูมิต่ำ

เยื่อหุ้ม PFSA ซึ่งรวมถึง Nafion ที่เป็นที่รู้จักกันดี ยังคงถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) แม้ว่าจะมีปัญหาที่ร้ายแรงบางประการอันเนื่องมาจากธรรมชาติของสารประกอบที่มีโครงสร้างเปอร์ฟลูออรีน ทั้งนี้ เมื่อวัสดุเหล่านี้ดูดซับน้ำ จะเกิดการบวมอย่างมากจริงๆ ประมาณร้อยละ 30 ของขนาดเดิม ซึ่งก่อให้เกิดความเครียดเชิงกล ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น การไหลตัวแบบไม่สามารถย้อนกลับได้ (irreversible creep) และชั้นต่างๆ ของเยื่อหุ้มหลุดลอกออกจากกัน พร้อมกันนั้น ยังเกิดการสลายตัวทางเคมีขึ้นเมื่อรากอิสระ (radicals) ทำปฏิกิริยากับสายข้างของพอลิเมอร์ รากอิสระเหล่านี้เกิดจากการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และก่อให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น การเกิดรูเล็กๆ วัสดุบางลง และในที่สุดนำไปสู่ความล้มเหลวของเยื่อหุ้มโดยสมบูรณ์ อุณหภูมิยังเป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญที่ก่อให้เกิดปัญหา กล่าวคือ ภายใต้อุณหภูมิจุดเยือกแข็ง ช่องทางการเคลื่อนที่ของน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็ง ทำให้โปรตอนไม่สามารถเคลื่อนผ่านได้ ในขณะที่เมื่ออุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 80 องศาเซลเซียส เยื่อหุ้มจะแห้งเกินไปจนโครงข่ายไอออนิกยุบตัวลง และยังเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพให้ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว ความพยายามในการเพิ่มความสามารถในการนำไฟฟ้ามักส่งผลตรงกันข้ามอย่างรุนแรง เช่น การเพิ่มความจุในการแลกเปลี่ยนไอออน (ion exchange capacity) มักทำให้การบวมแย่ลงกว่าร้อยละ 40 ซึ่งยิ่งทำให้การรักษาสมดุลระหว่างความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ดีกับประสิทธิภาพที่คงทนยาวนานยิ่งยากขึ้นไปอีก เนื่องจากความท้าทายทั้งหมดเหล่านี้ นักวิจัยจึงกำลังดำเนินงานอย่างแข็งขันเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีเยื่อหุ้มรูปแบบใหม่ที่สามารถแยกความสามารถในการเคลื่อนที่ของโปรตอนที่สูงออกจากจุดอ่อนเชิงโครงสร้างได้

ไฮโดรคาร์บอน คอมโพสิต และไฮบริดแบบแลกเปลี่ยนแอนไอออน: การปรับปรุงค่า IEC ความคงตัวของมิติ และประสิทธิภาพด้านต้นทุน

นักวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาข้อจำกัดของโพลิเมอร์ฟลูออรีนที่มีหมู่ซัลโฟนิล (PFSA) ได้พัฒนาแนวทางหลักสามประการเพื่อสร้างวัสดุที่ดีขึ้น ได้แก่ โพลิเมอร์ไฮโดรคาร์บอนที่ผ่านการซัลโฟเนต วัสดุคอมโพสิตที่ผสมระหว่างสารอนินทรีย์กับโพลิเมอร์ และเมมเบรนไฮบริดที่ประกอบด้วยแอนไอออนกับคาเทียน กลยุทธ์แต่ละแบบมีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออน รักษาความคงตัวของมิติให้คงที่ และลดต้นทุนการผลิตโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน ตัวอย่างเช่น โพลิเมอร์ SPEEK และไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกชนิดอื่นๆ ซึ่งมีโครงสร้างหลักที่แข็งแรง ทำให้อัตราการบวมอยู่ต่ำกว่า 15% หรือประมาณครึ่งหนึ่งของค่าที่พบใน Nafion ขณะเดียวกันก็ยังสามารถนำโปรตอนได้ดีพอสมควรที่อุณหภูมิประมาณ 80 องศาเซลเซียส อีกทางเลือกหนึ่งคือ เมมเบรนคอมโพสิตที่ผสมอนุภาคนาโนของซิลิกาหรือฟอสเฟตของเซอร์โคเนียมเข้าไปในฐานโพลิเมอร์ ซึ่งช่วยเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างวัสดุและรักษาช่องทางการนำโปรตอนที่สำคัญไว้ให้เปิดอยู่แม้ในสภาวะความชื้นต่ำ จากนั้นมีเมมเบรนไฮบริดที่รวมกลุ่มคาเทียนแอมโมเนียมควอเทอร์นารีเข้ากับหมู่กรดซัลโฟนิก ซึ่งสามารถรองรับกลไกการนำไฟฟ้าได้สองแบบ และยังคงรักษาค่าความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออน (IEC) ไว้ได้ประมาณ 60% แม้หลังผ่านกระบวนการแห้ง-เปียกซ้ำหลายรอบโดยต่อเนื่อง ทั้งหมดนี้ทำให้วัสดุใหม่เหล่านี้สามารถลดต้นทุนการผลิตได้ระหว่าง 30% ถึง 55% เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุฟลูออรีนแบบดั้งเดิม แถมยังใช้งานได้ดีที่อุณหภูมิสูงขึ้นอีกด้วย การพิจารณาจากตารางเปรียบเทียบที่แสดงไว้ที่นี่ ชี้ให้เห็นว่าการออกแบบทั้งสามแบบนี้ล้วนเหนือกว่าวัสดุ PFSA ทั้งในด้านความต้านทานต่อการบวมและการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ พร้อมทั้งมอบความทนทานที่มักเกินมาตรฐานอุตสาหกรรมโดยเฉลี่ยราว 25%

การผลิตขั้นสูงสำหรับสถาปัตยกรรม PEM ที่มีความแม่นยำ: การถักเส้นใยด้วยแรงไฟฟ้าสถิต (Electrospinning), การปลูกฝังด้วยรังสี (Radiation Grafting) และการหล่อเป็นฟิล์มบาง (Thin-Film Casting)

เทคนิคการผลิตแบบใหม่ช่วยให้นักวิจัยสามารถควบคุมโครงสร้างของเยื่อเมมเบรนได้ทั้งในระดับอะตอมและระดับจุลภาค ทำให้สารอิเล็กโทรไลต์ธรรมดาเปลี่ยนเป็นส่วนประกอบอัจฉริยะที่ใช้งานได้หลายวัตถุประสงค์ ยกตัวอย่างเช่น กระบวนการอิเล็กโตรสปินนิง (electrospinning) ซึ่งสร้างแผ่นใยเส้นใยนาโนที่มีช่องทางเชื่อมต่อกัน ซึ่งโปรตอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือ วัสดุเหล่านี้ยังคงรักษาความสามารถในการนำไฟฟ้าไว้ที่ประมาณ 0.15 S/cm แม้ในสภาวะความชื้นลดลงเหลือเพียง 30% ซึ่งสูงกว่าค่าความสามารถในการนำไฟฟ้าของเยื่อเมมเบรน PFSA แบบหล่อแบบดั้งเดิมถึงสองเท่าภายใต้สภาวะเดียวกัน ต่อมาคือกระบวนการปลูกฝังด้วยรังสี (radiation grafting) ซึ่งเป็นวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สามารถเชื่อมหมู่เคมีเฉพาะเข้ากับพอลิเมอร์ที่ไม่มีปฏิกิริยา เช่น ETFE หรือ PVDF โดยไม่ทำลายโครงสร้างหลักของพอลิเมอร์ วิธีนี้จึงรักษาความแข็งแรงของวัสดุไว้ได้ ในขณะเดียวกันก็รับประกันว่าคุณสมบัติทางเคมีที่สำคัญจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ ส่วนการหล่อฟิล์มบาง (thin film casting) นั้นก้าวไปอีกขั้นด้วยการผลิตเยื่อเมมเบรนที่มีความหนาน้อยกว่า 10 ไมโครเมตร และมีความต้านทานต่อไอออนที่ผ่านเข้าไปต่ำมากอย่างน่าทึ่ง ซึ่งหมายความว่าพลังงานสูญเสียในรูปของความร้อนจะลดลง ส่งผลให้กำลังไฟฟ้ารวมที่ได้เพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ทำให้วิธีการผลิตขั้นสูงเหล่านี้โดดเด่นจริงๆ คือกระบวนการเชื่อมขวางแบบในสถานที่ (in situ crosslinking) ซึ่งเมื่อดำเนินการระหว่างขั้นตอนการหล่อ หรือหลังจากนั้น จะเกิดพันธะเคมีที่แข็งแรงระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์ ผลการทดสอบแสดงว่าวิธีนี้ช่วยลดปัญหาการบวมลงได้ประมาณ 70% และลดการเสื่อมสภาพที่เกิดจากรากอิสระ (free radicals) ลงได้เกือบ 90% นอกจากนี้ กลยุทธ์การผลิตขั้นสูงบางประการยังสามารถออกแบบให้มีโครงสร้างแบบเกรเดียนต์ (gradient designs) ได้ ซึ่งแต่ละชั้นของเยื่อเมมเบรนตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของความชื้นต่างกัน ช่วยจัดการปริมาณน้ำภายในระบบแบบไดนามิก สำหรับผลการทดสอบในโลกแห่งความเป็นจริง พบว่าการผสมผสานเฉพาะระหว่างเยื่อเมมเบรนที่ผลิตด้วยเทคนิคอิเล็กโตรสปินนิงที่มีส่วนประกอบของซิลิกาและ SPEEK นั้นสามารถใช้งานได้อย่างน่าประทับใจนานถึง 8,000 ชั่วโมงก่อนเริ่มแสดงสัญญาณการสึกหรอ ซึ่งเหนือกว่าเกณฑ์มาตรฐาน 6,000 ชั่วโมงที่กำหนดโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (US Department of Energy) สำหรับการใช้งานหนัก

นวัตกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับเซลล์เชื้อเพลิง PEM: ลดการพึ่งพาแพลตินัม

ตัวเร่งปฏิกิริยา PGM ที่ปรับแต่งให้เหมาะสม: การผสมโลหะ, โครงสร้างนาโนแบบแกน–เปลือก, และความทนทานต่อ CO ที่สูงขึ้น

แม้จะมีการวิจัยอย่างต่อเนื่อง แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยโลหะกลุ่มแพลตินัม (PGM) ยังคงจำเป็นอย่างยิ่งในการทำให้ปฏิกิริยาการลดออกซิเจน (ORR) เกิดขึ้นอย่างเหมาะสมในสภาวะแวดล้อมของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนแบบเป็นกรด (acidic PEM) อย่างไรก็ตาม เราต้องยอมรับว่าวัสดุเหล่านี้มีข้อเสียที่ชัดเจน — ทั้งมีราคาสูงและหาได้ยาก จึงมีการลงแรงวิจัยอย่างมากเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของพวกมัน ที่ระดับอะตอม เมื่อนักวิจัยผสมแพลตินัมเข้ากับธาตุโลหะทรานซิชันอื่นๆ เช่น โคบอลต์ นิกเกิล หรือทองแดง จะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ พร้อมกับปรากฏการณ์ความเครียดในโครงผลึก (lattice strain effect) ซึ่งส่งผลให้ตัวเร่งปฏิกิริยามีกิจกรรมสูงขึ้นต่อหน่วยพื้นที่ นอกจากนี้ เรายังสามารถลดปริมาณแพลตินัมที่ใช้ลงได้ประมาณครึ่งหนึ่ง โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพในการสร้างแรงดันไฟฟ้าแต่อย่างใด อีกแนวทางหนึ่งที่น่าสนใจคือ การพัฒนาโครงสร้างนาโนแบบแกน-เปลือก (core-shell nanostructures) ซึ่งใช้แกนที่ไม่ใช่ PGM ทำจากแพลเลเดียมหรือนิกเกิล และเคลือบด้วยชั้นบางมากของอะตอมแพลตินัม โครงสร้างเช่นนี้ช่วยใช้แพลตินัมที่มีค่าได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ในขณะเดียวกันก็เปิดเผยผิวผลึกที่มีปฏิกิริยาสูงมาก (111) อย่างเต็มที่ อีกข้อได้เปรียบที่สำคัญคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ผ่านการดัดแปลงเหล่านี้ทนต่อก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ได้ดีกว่าตัวเร่งแบบดั้งเดิมมาก แม้จะสัมผัสกับ CO ที่ความเข้มข้นสูงถึง 1,000 ส่วนในล้านส่วน (ppm) ก็ยังคงรักษาความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาไว้ได้มากกว่า 85% ของค่าเริ่มต้น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับระบบที่ใช้เชื้อเพลิงที่ผ่านกระบวนการรีฟอร์ม (reformed fuels) กล่าวโดยรวมแล้ว ในเทคโนโลยีปัจจุบัน สารสูตรขั้นสูงบางชนิดสามารถบรรลุกิจกรรมมวล (mass activity) สูงกว่า 0.5 A/mgPt ที่แรงดัน 0.9 โวลต์ ซึ่งสูงกว่าเป้าหมายของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE) สำหรับปี 2025 (ซึ่งกำหนดไว้ที่ 0.44 A/mgPt) อย่างชัดเจน และวัสดุเหล่านี้ยังคงมีความเสถียรภายใต้การทดสอบความเครียดอย่างน่าประทับใจ โดยสามารถใช้งานได้นานถึง 5,000 ชั่วโมงภายใต้สภาวะเร่ง (accelerated conditions) โดยไม่มีการเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญ

ตัวเร่งปฏิกิริยา PEM ที่ไม่มี PGM: ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอะตอมเดี่ยว Fe–N–C (Fe–N–C SACs), ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบสองอะตอม (DACs) และเกณฑ์การประเมินประสิทธิภาพ–ความเสถียร

ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอะตอมเดี่ยวที่ประกอบด้วยเหล็ก-ไนโตรเจน-คาร์บอน หรือที่เรียกว่า Fe-N-C SACs ถือเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันที่ไม่มีแพลตินัม วัสดุเหล่านี้ทำงานโดยการกระจายอะตอมของเหล็กทั่วโครงสร้างคาร์บอนที่ได้รับการดอปไนโตรเจน ซึ่งช่วยให้สามารถเร่งปฏิกิริยาการลดออกซิเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ นักวิจัยยังได้ทำผลงานความก้าวหน้าเกี่ยวกับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบสองอะตอมเมื่อเร็วๆ นี้ อีกด้วย เมื่อธาตุโลหะ เช่น เหล็กกับโคบอลต์ หรือแมงกานีสกับทองแดง อยู่ติดกันในตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้ จะเกิดไซต์ที่ใช้งานพิเศษขึ้น ซึ่งลดพลังงานที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาผ่านผลกระทบทางอิเล็กทรอนิกส์ร่วมกันของธาตุโลหะทั้งสอง แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแบบสองอะตอมจะให้ผลการดำเนินงานดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอะตอมเดี่ยวประมาณ 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ในการทดลองในห้องปฏิบัติการที่ใช้ขั้วไฟฟ้าแบบหมุน (rotating disk electrodes) แต่ทั้งสองประเภทกลับเผชิญปัญหาในการทำงานภายใต้สภาวะเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอนที่เป็นกรด (acidic proton exchange membrane environments) คาร์บอนมีแนวโน้มเสื่อมสภาพจากการกัดกร่อนเมื่อสัมผัสกับศักย์ไฟฟ้าสูงเป็นเวลานาน และองค์ประกอบโลหะอาจหลุดออกจากโครงสร้างได้เนื่องจากปฏิกิริยากับโปรตอนและการสูญเสียโมเลกุลที่ทำหน้าที่ยึดเกาะ ปัจจุบัน Fe-N-C SACs ที่มีอยู่สามารถให้กำลังไฟฟ้าได้ประมาณ 0.5 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร ในเซลล์ไฮโดรเจน-อากาศที่ทำงานที่อุณหภูมิ 80 องศาเซลเซียส แต่ค่านี้ยังต่ำกว่าเป้าหมายเชิงพาณิชย์ที่กำหนดไว้ที่ 0.8 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร และยังเสื่อมสภาพเร็วกว่าทางเลือกที่ใช้โลหะมีค่าอื่นๆ ระหว่างรอบการโหลดซ้ำๆ เพื่อปิดช่องว่างด้านสมรรถนะนี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังพัฒนาวิธีการทำให้ตัวรองรับคาร์บอนมีความเสถียรยิ่งขึ้น เช่น การแปรรูปคาร์บอนให้กลายเป็นกราไฟต์ (graphitization) หรือการสร้างพันธะเคมีที่แข็งแรงยิ่งขึ้นระหว่างองค์ประกอบต่างๆ บางการทดลองล่าสุดสามารถบรรลุความทนทานได้นานถึง 1,200 ชั่วโมงในระดับชุดขั้วไฟฟ้า-เยื่อ (membrane electrode assembly) อย่างไรก็ตาม ยังคงมีพื้นที่ให้ปรับปรุงอีกมาก ก่อนที่ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้จะสามารถเข้ามาแทนที่โลหะกลุ่มแพลตินัม (platinum group metals) ได้อย่างแท้จริง

การออกแบบระบบ PEM แบบบูรณาการ: การออกแบบร่วมกันของเยื่อเมมเบรนและชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา

ความท้าทายที่ผิวสัมผัส: ความต้านทานต่อการขนส่งโปรตอนและการกระจายตัวของไอโอโนเมอร์ที่บริเวณขอบเขตระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยากับเยื่อเมมเบรน

พื้นที่ที่ตัวเร่งปฏิกิริยาสัมผัสกับเมมเบรนยังคงเป็นจุดปัญหาหลักที่ทำให้เซลล์เชื้อเพลิงแบบ PEM มีประสิทธิภาพต่ำ ซึ่งปัญหานี้ไม่ได้เกิดจากคุณสมบัติทั่วไปของวัสดุ แต่กลับเกิดจากปัญหาในระดับนาโนที่บริเวณพรมแดนระหว่างวัสดุทั้งสองโดยตรง เมื่อมีไอโอโนเมอร์เคลือบพื้นผิวไม่เพียงพอ หรือเมื่อความหนาของฟิล์มแปรผัน (บางครั้งลดลงต่ำกว่า 5 นาโนเมตรในบางจุด) จะทำให้เส้นทางการเคลื่อนที่ของโปรตอนขาดตอน ส่งผลให้ความต้านทานไอออนิกเพิ่มขึ้นระหว่าง 15% ถึง 40% พร้อมกับก่อให้เกิดปัญหาต่าง ๆ ในการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านระบบ อีกทั้งผลกระทบที่ตามมาหลังจากนั้นก็รุนแรงไม่แพ้กัน โดยความไม่สอดคล้องกันดังกล่าวจะก่อให้เกิดความแตกต่างของระดับความชื้นทั่วทั้งเมมเบรน และสร้างจุดร้อน (hotspots) ขึ้นในบริเวณเฉพาะ ซึ่งเมื่อเวลาผ่านไปจะเร่งกระบวนการสลายตัวของทั้งวัสดุไอโอโนเมอร์และวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยา ทั้งนี้ การจัดวางแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่มักใช้อิโอโนเมอร์มากเกินไปเมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยาในอัตราส่วนผสม ซึ่งส่วนเกินนี้จะก่อให้เกิดการอุดตันในรูพรุนและจำกัดความสามารถในการเคลื่อนที่ของออกซิเจน งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า การปรับอัตราส่วนไอโอโนเมอร์ต่อตัวเร่งปฏิกิริยา (I/C ratio) ลงเหลือประมาณ 0.8 ถึง 1.2 ตามน้ำหนัก จะส่งผลอย่างมีนัยสำคัญ โดยการสัมผัสระหว่างวัสดุจะดีขึ้นอย่างมาก การสูญเสียพลังงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูงจะลดลงประมาณ 22% และอายุการใช้งานของเมมเบรนจะยืดยาวขึ้น เนื่องจากความเครียดที่สะสมบริเวณพรมแดนระหว่างวัสดุลดลง

สถาปัตยกรรมที่กำลังเกิดขึ้นสำหรับMEA: การโหลดไอโอโนเมอร์แบบขั้นบันได การเชื่อมข้ามแบบ in situ และการรวมตัวแบบโมโนลิธิกของ PEM กับตัวเร่งปฏิกิริยา

ชุดประกอบเมมเบรน-อิเล็กโทรด (MEAs) รุ่นล่าสุดสามารถแก้ไขปัญหาที่เกิดขึ้นที่บริเวณพรมแดนระหว่างวัสดุ (interface problems) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการออกแบบทั้งระบบให้เป็นหน่วยงานเดียวที่ทำงานร่วมกันอย่างกลมกลืน แทนที่จะแยกชิ้นส่วนออกเป็นส่วนย่อยๆ ด้วยการควบคุมปริมาณไอโอโนเมอร์ (ionomer loading) แบบค่อยเป็นค่อยไป เราจึงสามารถกำหนดปริมาณไอโอโนเมอร์ที่ใช้ในแต่ละส่วนของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาคาโทดได้อย่างแม่นยำ บริเวณใกล้ผิวด้านของเมมเบรนจะมีไอโอโนเมอร์มากขึ้น เพื่อให้การเคลื่อนที่ของโปรตอนเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ แต่เมื่อห่างออกไปทางชั้นกระจายก๊าซ (gas diffusion layer) จะลดปริมาณไอโอโนเมอร์ลง เพื่อให้ออกซิเจนยังสามารถผ่านเข้าไปได้ และรักษาความพรุน (porosity) ไว้ในระดับที่เหมาะสม อีกเทคนิคหนึ่งคือ การเชื่อมข้าม (crosslinking) แบบเกิดขึ้นจริงภายในระบบ (in situ) ซึ่งเกิดขึ้นได้ทั้งขณะพ่นหมึก (ink application) หรือระหว่างกระบวนการกดร้อน (hot pressing) กระบวนการนี้สร้างพันธะเคมีที่แท้จริงระหว่างสายโซ่ของไอโอโนเมอร์กับวัสดุรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst support material) ทำให้ส่วนประกอบทั้งหมดยึดติดกันได้ดีขึ้น ส่งผลให้ความแข็งแรงเชิงกลเพิ่มขึ้นประมาณ 35% โดยไม่กระทบต่อการไหลของก๊าซ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือแนวทางการรวมเป็นเนื้อเดียว (monolithic integration approach) นี้ แทนที่จะใช้ชั้นวัสดุที่แยกจากกัน นักวิจัยได้ปลูก (grow) หรือฝังนาโนพาร์ติเคิลตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst nanoparticles) ลงไปโดยตรงในตัวรองรับเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM substrate) เอง ซึ่งทำให้ขอบเขตทางกายภาพระหว่างส่วนประกอบต่างๆ หายไปอย่างสิ้นเชิง ส่งผลให้ความต้านทานที่บริเวณพรมแดนระหว่างวัสดุลดลงอย่างมาก และยังช่วยให้การกระจายตัวของน้ำและการจัดการแรงเครียด (stress management) ทั่วทั้งระบบมีความสม่ำเสมอมากยิ่งขึ้น ต้นแบบเบื้องต้นแสดงให้เห็นว่า MEAs รุ่นใหม่นี้สามารถผลิตกำลังไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้นประมาณ 18% ที่ระดับสูงสุด และยังคงทนต่อการทดสอบแบบเร่ง (accelerated testing) ได้นานถึง 500 ชั่วโมง โดยมีการลดลงของศักย์ไฟฟ้า (voltage performance) น้อยกว่า 10% การพัฒนาเหล่านี้นับเป็นก้าวสำคัญอย่างยิ่งต่อการผสานรวมเทคโนโลยีเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM technology integration)

คำถามที่พบบ่อย

ข้อจำกัดหลักของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ที่ใช้สารนาฟิออนคืออะไร

เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ที่ใช้สารนาฟิออนประสบปัญหา เช่น การบวม การเสื่อมสภาพทางเคมี และประสิทธิภาพลดลงที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากลักษณะเป็นสารเพอร์ฟลูออริเนต

วัสดุใหม่ใดที่กำลังถูกพัฒนาเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM)

วัสดุใหม่ที่อยู่ระหว่างการพัฒนา ได้แก่ โพลิเมอร์ไฮโดรคาร์บอนที่ผ่านการซัลโฟเนต วัสดุผสมระหว่างอนินทรีย์กับโพลิเมอร์ และเมมเบรนไฮบริดแบบแอนไอออน-คาโทน ซึ่งทั้งหมดมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออนและลดต้นทุน

เทคนิคการผลิตขั้นสูงช่วยปรับปรุงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) อย่างไร

เทคนิคต่าง ๆ เช่น การฉีดเส้นใยด้วยไฟฟ้า (electrospinning) การทำให้เกิดการยึดเกาะด้วยรังสี (radiation grafting) และการเทฟิล์มบาง (thin-film casting) ช่วยให้ควบคุมโครงสร้างได้แม่นยำยิ่งขึ้นในระดับอะตอม ส่งผลให้ความทนทานและประสิทธิภาพดีขึ้น

เหตุใดการลดการพึ่งพาแพลตินัมในเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) จึงมีความสำคัญ

การลดการใช้แพลตินัมมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากราคาสูงและแหล่งสำรองที่จำกัด นักวิจัยจึงกำลังพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือกเพื่อลดการพึ่งพาแพลตินัม

สถาปัตยกรรมของMEA รุ่นใหม่จัดการกับความท้าทายที่เกิดขึ้นที่ผิวสัมผัสอย่างไร

ด้วยการออกแบบระบบทั้งหมดให้เป็นหน่วยเดียว สถาปัตยกรรมใหม่เหล่านี้มุ่งเน้นไปที่การกระจายไอโอโนเมอร์อย่างสม่ำเสมอและการเชื่อมขวางแบบ in situ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ