خلايا وقود غشاء تبادل البروتون ()تُعد من بين أكثر التقنيات الواعدة لتحقيق ذروة الكربون والحياد الكربوني. على الرغم من أن خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني شهدت تقلبات على مدار القرون القليلة الماضية، إلا أنها تلعب حاليًا دورًا حاسمًا في بناء مجتمع مستدام.خلايا وقود تقدم أحمال بلاتينية () أقل بكثير مقارنة بالأجيال السابقة. على سبيل المثال، يبلغ إجمالي تحميل البلاتين في خلية وقود تويوتا ميراي من الجيل الأول (2017)، والتي كانت أول مركبة تعمل بخلايا وقود تجاريًا، 0.365 ملغ/سم² فقط، وهو انخفاض كبير مقارنة بأول خلية وقود عملية من عام 1962، والتي كان تحميل البلاتين فيها 35 ملغ/سم² واستخدمت محلول هيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت. لا تُعزى التطورات الكبيرة في خلايا وقود إلى تطوير الطبقات الحفزية فحسب، بل تُعزى أيضًا إلى استبدال إلكتروليتات محاليل الحمض/القاعدة التقليدية براتنجات حمض البيرفلورو سلفونيك المتقدمة (مثل ). منذ طرحها في سبعينيات القرن الماضي، طورت هذه المواد بنية مجموعات أقطاب الغشاء () وعمليات التصنيع ذات الصلة.
خلايا وقود وجدت تطبيقات تجارية تدريجيًا، مثل استخدامها كمصدر طاقة للمركبات. طرحت شركات مثل تويوتا وهيونداي وهوندا مركبات تعمل بخلايا الوقود في السوق. ومع ذلك،خلايا وقود تواجه حاليًا منافسة من محركات الاحتراق الداخلي والبطاريات، ويرجع ذلك أساسًا إلى ارتفاع تكلفتها وقصر عمرها الافتراضي. وللتغلب على هذه التحديات، يُعد تطوير مواد وتقنيات تصنيع متقدمة أمرًا ضروريًا. ويتطلب هذا التقدم تعاونًا وثيقًا بين الشركات والجامعات ومؤسسات البحث والعملاء والحكومات. وفي هذه العملية، ينبغي أن تركز الأبحاث الأساسية على تطوير مواد متعددة التفاعلات عالية الأداء ومتينة، بينما ينبغي أن تنظر الجهود الصناعية في توسيع نطاق إنتاج المواد والمكونات الرئيسية. وفي الوقت الحالي، تم تنفيذ مكونات مواد متعددة التفاعلات، بما في ذلك المحفزات والأيونومرات والأغشية وطبقات انتشار الغاز ()، بنجاح في الإنتاج الصناعي. ومع ذلك، غالبًا ما يؤدي دمج هذه المواد في مواد متعددة التفاعلات إلى خسائر كبيرة في الأداء. وقد أولى المجتمع التقني اهتمامًا كبيرًا لتوافق المكونات وطور عمليات تصنيع مواد متعددة التفاعلات مُحسّنة بناءً على هذا الفهم.
2. أحدث التطورات في المواد الرئيسية المستخدمة في أقطاب الغشاء
يُعد غشاء التبادل البروتوني () الموقع الرئيسي للتفاعلات الكهروكيميائية، ويلعب دورًا أساسيًا في خلايا وقود غشاء التبادل البروتوني (). يتكون غشاء التبادل البروتوني عادةً من ستة مكونات رئيسية: المحفزات، والأيونومرات، وأغشية تبادل البروتون، وطبقات انتشار الغاز ()، والمواد اللاصقة، والإطارات. توضح الأشكال آلية عمل غشاء التبادل البروتوني. تُولّد الطاقة الكهربائية من خلال تفاعلات أكسدة واختزال مستقلة تحدث عند الأنود والكاثود. لذلك، تُعدّ دراسة حركية تفاعلات الأكسدة والاختزال هذه أمرًا أساسيًا، إذ يتطلب استخدام محفزات فعالة لتسريع حركية التفاعل. عادةً ما تعمل المحفزات في طبقة المحفز، الواقعة بين غشاء التبادل البروتوني () وأغشية تبادل البروتون. لتسهيل نقل البروتون في طبقة المحفز وتعزيز قوتها الميكانيكية، يجب استخدام أيونومرات ذات خصائص موصلة للبروتونات. عادةً ما يتطابق تركيب الأيونومرات مع تركيب غشاء تبادل البروتون، مما يسمح بنقل سريع للبروتونات من الأنود إلى الكاثود مع منع انتقال الهيدروجين والأكسجين أثناء التشغيل. بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ طبقات الكارهة للماء على كلا الجانبين أساسية لتوزيع الغاز وإزالة الرطوبة الزائدة، وهو أمرٌ أساسي لإدارة المياه في خلايا الوقود. تُشكّل هذه المواد جوهر تقنيات التفاعلات متعددة الأقطاب ().
