Celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM)sono tra le tecnologie più promettenti per raggiungere "carbon peak" e "carbon neutrality." Sebbene le celle a combustibile PEM abbiano vissuto alti e bassi negli ultimi secoli, attualmente svolgono un ruolo cruciale nella costruzione di una società sostenibile. OggiCelle a combustibile PEMoffrono carichi di platino (Pt) significativamente inferiori rispetto alle generazioni precedenti. Ad esempio, il carico totale di Pt della cella a combustibile Toyota Mirai di prima generazione (2017), che è stato il primo veicolo a celle a combustibile PEM commercializzato, è di soli 0,365 mg cm⁻², una riduzione sostanziale rispetto alla prima cella a combustibile pratica del 1962, che aveva un carico di Pt di 35 mg cm⁻² e utilizzava una soluzione di idrossido di potassio come elettrolita. I significativi progressi nelle celle a combustibile PEM sono attribuiti non solo allo sviluppo di strati catalitici, ma anche alla sostituzione dei tradizionali elettroliti in soluzione acido/base con resine avanzate di acido perfluorosulfonico (come Nafion). Dalla loro introduzione negli anni '70, questi materiali hanno fatto evolvere la struttura degli assemblaggi di elettrodi a membrana (MEA) e dei relativi processi di produzione.
Celle a combustibile PEMhanno gradualmente trovato applicazioni commerciali, come ad esempio come fonti di energia per veicoli. Aziende come Toyota, Hyundai e Honda hanno lanciato sul mercato veicoli a celle a combustibile. Tuttavia,Celle a combustibile PEMattualmente devono affrontare la concorrenza dei motori a combustione interna e delle batterie, principalmente a causa dei loro costi elevati e della loro durata di vita più breve. Per superare queste sfide, è essenziale lo sviluppo di materiali avanzati e tecnologie di produzione. Questo progresso richiede una stretta collaborazione tra aziende, università, istituti di ricerca, clienti e governi. In questo processo, la ricerca fondamentale dovrebbe concentrarsi sullo sviluppo di MEA ad alte prestazioni e durevoli, mentre gli sforzi industriali dovrebbero considerare l'aumento della produzione di materiali e componenti chiave. Attualmente, i componenti di MEA, tra cui catalizzatori, ionomeri, membrane e strati di diffusione di gas (GDL), sono stati implementati con successo nella produzione industriale. Tuttavia, l'integrazione di questi materiali in MEA spesso comporta perdite di prestazioni significative. La comunità tecnica ha posto notevole attenzione sulla compatibilità dei componenti e ha sviluppato processi di produzione MEA migliorati basati su questa comprensione.
2. Ultimi progressi nei materiali chiave per gli elettrodi a membrana
Il MEA è il sito principale per le reazioni elettrochimiche e svolge un ruolo fondamentale nelle celle a combustibile PEM. I MEA sono in genere costituiti da sei componenti principali: catalizzatori, ionomeri, membrane a scambio protonico, strati di diffusione di gas (GDL), adesivi e telai. Il meccanismo operativo dei MEA è illustrato nelle figure. L'energia elettrica viene generata tramite reazioni redox indipendenti che si verificano all'anodo e al catodo. Pertanto, è essenziale studiare la cinetica di queste reazioni redox, il che richiede catalizzatori efficienti per accelerare la cinetica della reazione. In genere, i catalizzatori operano nello strato del catalizzatore, situato tra il GDL e il PEM. Per facilitare il trasferimento di protoni nello strato del catalizzatore e migliorarne la resistenza meccanica, è necessario applicare ionomeri con proprietà di conduzione protonica. La composizione dell'ionomero di solito corrisponde a quella della membrana a scambio protonico, consentendo un rapido trasferimento di protoni dall'anodo al catodo e impedendo al contempo l'incrocio di idrogeno e ossigeno durante il funzionamento. Inoltre, i GDL idrofobici su entrambi i lati sono essenziali per la distribuzione del gas e la rimozione dell'umidità in eccesso, essenziale per la gestione dell'acqua nelle celle a combustibile. Questi materiali sono al centro dei MEA.
