อิเล็กโทรดเมมเบรนเป็นส่วนประกอบหลักของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งรวมการขนส่งและปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าของวัสดุต่างชนิดกัน โดยเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนโดยตรง อิเล็กโทรดเมมเบรนและแผ่นขั้วสองด้านทั้งสองข้างประกอบกันเป็นเซลล์เชื้อเพลิงเดี่ยว และการรวมกันของเซลล์เดี่ยวหลายเซลล์สามารถสร้างสแต็กเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานที่หลากหลาย การออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง MEA การเลือกวัสดุ และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตเป็นประเด็นหลักของการวิจัย PEMFC เสมอมา ในกระบวนการพัฒนา PEMFC เทคโนโลยีอิเล็กโทรดเมมเบรนได้ผ่านการคิดค้นหลายชั่วอายุคน โดยแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ วิธีการกดร้อน GDE, อิเล็กโทรดเมมเบรนสามในหนึ่งเดียว CCM และอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัว
1. อิเล็กโทรดฟิล์มกดร้อน GDE
เทคโนโลยีการเตรียม MEA รุ่นแรกใช้วิธีการกดร้อนเพื่อบีบอัด GDL ขั้วบวกและขั้วลบที่เคลือบด้วย CL ทั้งสองด้านของ PEM เพื่อให้ได้ MEA ซึ่งเรียกว่าโครงสร้าง "GDE"
กระบวนการเตรียม MEA ชนิด GDE นั้นค่อนข้างง่าย ต้องขอบคุณตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบอย่างสม่ำเสมอบน GDL การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่ช่วยอำนวยความสะดวกในการก่อตัวของรูพรุนใน MEA เท่านั้น แต่ยังช่วยปกป้อง PEM จากการเสียรูปได้อย่างชาญฉลาด อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่ได้ไร้ที่ติ หากไม่สามารถควบคุมปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบบน GDL ได้อย่างแม่นยำ สารละลายตัวเร่งปฏิกิริยาอาจแทรกซึมเข้าไปใน GDL ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาบางส่วนไม่สามารถใช้ประสิทธิภาพได้อย่างเต็มที่ และอัตราการใช้ประโยชน์อาจต่ำถึง 20% ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิต MEA อย่างมาก
เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันระหว่างการเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาบน GDL และระบบการขยายตัวของ PEM อินเทอร์เฟซระหว่างทั้งสองจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการหลุดลอกระหว่างการทำงานในระยะยาว ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้ความต้านทานการสัมผัสภายในของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยลดประสิทธิภาพโดยรวมของ MEA ลงอย่างมาก ซึ่งยังห่างไกลจากการบรรลุระดับในอุดมคติ กระบวนการเตรียม MEA ที่ใช้โครงสร้าง GDE ได้ถูกกำจัดไปโดยพื้นฐานแล้ว และมีเพียงไม่กี่คนที่ให้ความสนใจกับมัน
2. อิเล็กโทรดเมมเบรนสามในหนึ่งเดียว CCM
โดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การเคลือบโดยตรงแบบม้วนต่อม้วน การพิมพ์สกรีน และการเคลือบแบบสเปรย์ สารละลายที่ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา Nafion และสารกระจายตัวที่เหมาะสมจะถูกเคลือบโดยตรงบนทั้งสองด้านของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนเพื่อให้ได้ MEA
เมื่อเทียบกับวิธีการเตรียม MEA ชนิด GDE ชนิด CCM มีประสิทธิภาพดีกว่า ไม่หลุดลอกง่าย และลดความต้านทานการถ่ายโอนระหว่างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและ PEM ซึ่งเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงการแพร่กระจายและการเคลื่อนที่ของโปรตอนในโปรตอน ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา จึงส่งเสริมชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและ PEM การสัมผัสและการถ่ายโอนโปรตอนระหว่างกันช่วยลดความต้านทานในการถ่ายโอนโปรตอน ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของ MEA อย่างมาก การวิจัยเกี่ยวกับ MEA ได้เปลี่ยนจากชนิด GDE เป็นชนิด CCM นอกจากนี้ เนื่องจากปริมาณ Pt ที่ค่อนข้างต่ำของ MEA ชนิด CCM ต้นทุนโดยรวมของ MEA จึงลดลงและอัตราการใช้ประโยชน์ก็ดีขึ้นอย่างมาก ข้อเสียของ MEA ชนิด CCM คือมีแนวโน้มที่จะเกิดน้ำท่วมระหว่างการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง เหตุผลหลักคือไม่มีสารกันน้ำในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา MEA มีช่องแก๊สน้อยลง และความต้านทานการส่งผ่านของแก๊สและน้ำค่อนข้างสูง ดังนั้น เพื่อลดความต้านทานการส่งผ่านของแก๊สและน้ำ ความหนาของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยทั่วไปจึงไม่เกิน 10 μm
เนื่องจากประสิทธิภาพที่ครอบคลุมที่ยอดเยี่ยม MEA ชนิด CCM จึงถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในด้านเซลล์เชื้อเพลิงยานยนต์ ตัวอย่างเช่น Toyota Mirai, Honda Clarity เป็นต้น MEA ชนิด CCM ที่พัฒนาโดย Wuhan University of Technology ในประเทศจีนได้ถูกส่งออกไปยัง Plug Power ในสหรัฐอเมริกาเพื่อใช้ในรถยกเซลล์เชื้อเพลิง MEA ชนิด CCM ที่พัฒนาโดย Dalian Xinyuan Power ได้ถูกนำไปใช้กับรถบรรทุก โดยมีกำลังการบรรทุกโลหะมีค่าจากแพลตินัมต่ำถึง 0.4mgPt/cm2 ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 0.96W/cm2 ในเวลาเดียวกัน บริษัทและมหาวิทยาลัยต่างๆ เช่น Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University และ Dalian Institute of Chemical Physics กำลังพัฒนา MEA ชนิด CCM ประสิทธิภาพสูงเช่นกัน บริษัทต่างประเทศเช่น Komu, Gore
3. อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัว
ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาของ MEA ชนิด GDE และ MEA ชนิด CCM ผสมกับตัวเร่งปฏิกิริยาและสารละลายอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะถูกเคลือบในภายหลัง ประสิทธิภาพต่ำมากและมีปรากฏการณ์โพลาไรเซชันอย่างมาก ซึ่งไม่เอื้อต่อการปล่อยกระแสไฟฟ้าสูงของ MEA นอกจากนี้ การบรรทุกแพลตินัมใน MEA ค่อนข้างสูง การพัฒนา MEA ที่มีประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และต้นทุนต่ำจึงกลายเป็นจุดสนใจ อัตราการใช้ประโยชน์ Pt ของ MEA แบบเรียงตัวสูงมาก ช่วยลดต้นทุนของ MEA ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็สามารถขนส่งโปรตอน อิเล็กตรอน แก๊ส น้ำ และสารอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของ PEMFC
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวประกอบด้วยอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์ อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ฟิล์มตัวเร่งปฏิกิริยา และอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ตัวนำโปรตอน
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์
ลักษณะโครงสร้างของคาร์บอนนาโนทิวบ์ทนทานต่อศักย์ไฟฟ้าสูง และการโต้ตอบและความยืดหยุ่นกับอนุภาค Pt ช่วยเพิ่มกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของอนุภาค Pt ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา มีการพัฒนาฟิล์มบางที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบตั้งตรง (VACNTs) อิเล็กโทรด กลไกการจัดเรียงแนวตั้งช่วยเพิ่มชั้นการแพร่กระจายของแก๊ส ความสามารถในการระบายน้ำ และประสิทธิภาพการใช้ประโยชน์ Pt
VACNT สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: หนึ่งคือ VACNT ที่ประกอบด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่โค้งงอและเบาบาง อีกประเภทหนึ่งคือคาร์บอนนาโนทิวบ์กลวงที่ประกอบด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์ตรงและหนาแน่น
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ฟิล์มตัวเร่งปฏิกิริยา
การจัดเรียงของฟิล์มตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นระเบียบส่วนใหญ่หมายถึงโครงสร้างนาโนแบบเรียงตัวของ Pt เช่น Pt nanotubes, Pt nanowires เป็นต้น ในบรรดาตัวแทนของอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาคือ NSTF ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ของบริษัท 3M เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C แบบดั้งเดิม NSTF มีลักษณะสำคัญสี่ประการ: ตัวนำตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวิสเกอร์อินทรีย์แบบเรียงตัว ตัวเร่งปฏิกิริยาสร้างฟิล์มบางโลหะผสม Pt บนสิ่งมีชีวิตคล้ายวิสเกอร์ ไม่มีตัวนำคาร์บอนในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ความหนาของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา NSTF ต่ำกว่า 1um
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ตัวนำโปรตอน
หน้าที่หลักของอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวของตัวนำโปรตอนคือการแนะนำวัสดุพอลิเมอร์นาโนไวร์เพื่อส่งเสริมการขนส่งโปรตอนที่มีประสิทธิภาพในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา Yu และอื่นๆ โครงสร้าง TiO2/Ti ของอาร์เรย์ท่อนาโน TiO2 (TNTs) ถูกเตรียมบนแผ่นไทเทเนียม ตามด้วยการอบในบรรยากาศไฮโดรเจนเพื่อให้ได้ H-TNTs อนุภาค Pt Pd ถูกเตรียมบนพื้นผิวของ H-TNTs โดยใช้วิธีการทำให้ไวต่อ SnCl2 และวิธีการแทนที่ ส่งผลให้เซลล์เชื้อเพลิงมีความหนาแน่นของพลังงานสูง
สถาบันวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์และภาควิชาวิศวกรรมยานยนต์แห่งมหาวิทยาลัย Tsinghua ได้สังเคราะห์ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเรียงตัวแบบใหม่เป็นครั้งแรกโดยอิงจากฟังก์ชันการนำโปรตอนอย่างรวดเร็วของนาโนไวร์ Nafion มีลักษณะดังต่อไปนี้: แท่งนาโน Nafion เติบโตในตำแหน่งบนเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน และความต้านทานการสัมผัสอินเทอร์เฟซลดลงเป็นศูนย์ การสะสมของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาอนุภาค Pt บนแท่งนาโน Nafion พร้อมทั้งฟังก์ชันการเร่งปฏิกิริยาและการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอน แท่งนาโน Nafion มีการนำไฟฟ้าโปรตอนอย่างรวดเร็ว
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวเป็นทิศทางหลักของเทคโนโลยีการเตรียมอิเล็กโทรดเมมเบรนรุ่นต่อไป ในขณะที่ลดการบรรทุกองค์ประกอบกลุ่มแพลตินัม จำเป็นต้องพิจารณาห้าด้านเพิ่มเติม: อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวมีความไวสูงต่อสิ่งเจือปน ขยายช่วงการทำงานของอิเล็กโทรดเมมเบรนผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพวัสดุ การจำแนกคุณลักษณะ และการสร้างแบบจำลอง การแนะนำโครงสร้างนาโนตัวนำโปรตอนอย่างรวดเร็วลงในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา การพัฒนาขั้นตอนการผลิตจำนวนมากต้นทุนต่ำ การศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับการโต้ตอบและผลกระทบแบบเสริมฤทธิ์กันระหว่างเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนของอิเล็กโทรดเมมเบรน ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า และชั้นการแพร่กระจายของแก๊ส
ข้อดีของเทคโนโลยีการเตรียมอิเล็กโทรดเมมเบรนและวิธีการพ่นด้วยคลื่นเสียง:
(1) โดยการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม เช่น กำลังและคลื่นความถี่ของหัวฉีดอัลตราโซนิก สารละลายตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เป็นละอองสามารถมีการกระดอนกลับเล็กน้อยและมีแนวโน้มที่จะเกิดการพ่นเกินน้อยลง ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราการใช้ประโยชน์ของตัวเร่งปฏิกิริยา
(2) แท่งสั่นอัลตราโซนิกกระจายอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมาก และหัวฉีดกระจายอัลตราโซนิกมีผลในการกวนสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยารอง ซึ่งช่วยลดโอกาสในการปนเปื้อนทางเคมีของแพลตินัมและลดพื้นที่กิจกรรมการเกิดปฏิกิริยา
(3) ใช้งานง่าย เป็นระบบอัตโนมัติสูง เหมาะสำหรับการผลิตอิเล็กโทรดเมมเบรนจำนวนมาก
อิเล็กโทรดเมมเบรนเป็นส่วนประกอบหลักของเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งรวมการขนส่งและปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าของวัสดุต่างชนิดกัน โดยเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และต้นทุนของเซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนโดยตรง อิเล็กโทรดเมมเบรนและแผ่นขั้วสองด้านทั้งสองข้างประกอบกันเป็นเซลล์เชื้อเพลิงเดี่ยว และการรวมกันของเซลล์เดี่ยวหลายเซลล์สามารถสร้างสแต็กเซลล์เชื้อเพลิงเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานที่หลากหลาย การออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง MEA การเลือกวัสดุ และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตเป็นประเด็นหลักของการวิจัย PEMFC เสมอมา ในกระบวนการพัฒนา PEMFC เทคโนโลยีอิเล็กโทรดเมมเบรนได้ผ่านการคิดค้นหลายชั่วอายุคน โดยแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ วิธีการกดร้อน GDE, อิเล็กโทรดเมมเบรนสามในหนึ่งเดียว CCM และอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัว
1. อิเล็กโทรดฟิล์มกดร้อน GDE
เทคโนโลยีการเตรียม MEA รุ่นแรกใช้วิธีการกดร้อนเพื่อบีบอัด GDL ขั้วบวกและขั้วลบที่เคลือบด้วย CL ทั้งสองด้านของ PEM เพื่อให้ได้ MEA ซึ่งเรียกว่าโครงสร้าง "GDE"
กระบวนการเตรียม MEA ชนิด GDE นั้นค่อนข้างง่าย ต้องขอบคุณตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบอย่างสม่ำเสมอบน GDL การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่ช่วยอำนวยความสะดวกในการก่อตัวของรูพรุนใน MEA เท่านั้น แต่ยังช่วยปกป้อง PEM จากการเสียรูปได้อย่างชาญฉลาด อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่ได้ไร้ที่ติ หากไม่สามารถควบคุมปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบบน GDL ได้อย่างแม่นยำ สารละลายตัวเร่งปฏิกิริยาอาจแทรกซึมเข้าไปใน GDL ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาบางส่วนไม่สามารถใช้ประสิทธิภาพได้อย่างเต็มที่ และอัตราการใช้ประโยชน์อาจต่ำถึง 20% ซึ่งจะเพิ่มต้นทุนการผลิต MEA อย่างมาก
เนื่องจากความไม่สอดคล้องกันระหว่างการเคลือบตัวเร่งปฏิกิริยาบน GDL และระบบการขยายตัวของ PEM อินเทอร์เฟซระหว่างทั้งสองจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการหลุดลอกระหว่างการทำงานในระยะยาว ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้ความต้านทานการสัมผัสภายในของเซลล์เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยลดประสิทธิภาพโดยรวมของ MEA ลงอย่างมาก ซึ่งยังห่างไกลจากการบรรลุระดับในอุดมคติ กระบวนการเตรียม MEA ที่ใช้โครงสร้าง GDE ได้ถูกกำจัดไปโดยพื้นฐานแล้ว และมีเพียงไม่กี่คนที่ให้ความสนใจกับมัน
2. อิเล็กโทรดเมมเบรนสามในหนึ่งเดียว CCM
โดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การเคลือบโดยตรงแบบม้วนต่อม้วน การพิมพ์สกรีน และการเคลือบแบบสเปรย์ สารละลายที่ประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา Nafion และสารกระจายตัวที่เหมาะสมจะถูกเคลือบโดยตรงบนทั้งสองด้านของเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนเพื่อให้ได้ MEA
เมื่อเทียบกับวิธีการเตรียม MEA ชนิด GDE ชนิด CCM มีประสิทธิภาพดีกว่า ไม่หลุดลอกง่าย และลดความต้านทานการถ่ายโอนระหว่างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและ PEM ซึ่งเป็นประโยชน์ในการปรับปรุงการแพร่กระจายและการเคลื่อนที่ของโปรตอนในโปรตอน ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา จึงส่งเสริมชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและ PEM การสัมผัสและการถ่ายโอนโปรตอนระหว่างกันช่วยลดความต้านทานในการถ่ายโอนโปรตอน ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของ MEA อย่างมาก การวิจัยเกี่ยวกับ MEA ได้เปลี่ยนจากชนิด GDE เป็นชนิด CCM นอกจากนี้ เนื่องจากปริมาณ Pt ที่ค่อนข้างต่ำของ MEA ชนิด CCM ต้นทุนโดยรวมของ MEA จึงลดลงและอัตราการใช้ประโยชน์ก็ดีขึ้นอย่างมาก ข้อเสียของ MEA ชนิด CCM คือมีแนวโน้มที่จะเกิดน้ำท่วมระหว่างการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง เหตุผลหลักคือไม่มีสารกันน้ำในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา MEA มีช่องแก๊สน้อยลง และความต้านทานการส่งผ่านของแก๊สและน้ำค่อนข้างสูง ดังนั้น เพื่อลดความต้านทานการส่งผ่านของแก๊สและน้ำ ความหนาของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาโดยทั่วไปจึงไม่เกิน 10 μm
เนื่องจากประสิทธิภาพที่ครอบคลุมที่ยอดเยี่ยม MEA ชนิด CCM จึงถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในด้านเซลล์เชื้อเพลิงยานยนต์ ตัวอย่างเช่น Toyota Mirai, Honda Clarity เป็นต้น MEA ชนิด CCM ที่พัฒนาโดย Wuhan University of Technology ในประเทศจีนได้ถูกส่งออกไปยัง Plug Power ในสหรัฐอเมริกาเพื่อใช้ในรถยกเซลล์เชื้อเพลิง MEA ชนิด CCM ที่พัฒนาโดย Dalian Xinyuan Power ได้ถูกนำไปใช้กับรถบรรทุก โดยมีกำลังการบรรทุกโลหะมีค่าจากแพลตินัมต่ำถึง 0.4mgPt/cm2 ความหนาแน่นของพลังงานสูงถึง 0.96W/cm2 ในเวลาเดียวกัน บริษัทและมหาวิทยาลัยต่างๆ เช่น Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University และ Dalian Institute of Chemical Physics กำลังพัฒนา MEA ชนิด CCM ประสิทธิภาพสูงเช่นกัน บริษัทต่างประเทศเช่น Komu, Gore
3. อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัว
ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาของ MEA ชนิด GDE และ MEA ชนิด CCM ผสมกับตัวเร่งปฏิกิริยาและสารละลายอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะถูกเคลือบในภายหลัง ประสิทธิภาพต่ำมากและมีปรากฏการณ์โพลาไรเซชันอย่างมาก ซึ่งไม่เอื้อต่อการปล่อยกระแสไฟฟ้าสูงของ MEA นอกจากนี้ การบรรทุกแพลตินัมใน MEA ค่อนข้างสูง การพัฒนา MEA ที่มีประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และต้นทุนต่ำจึงกลายเป็นจุดสนใจ อัตราการใช้ประโยชน์ Pt ของ MEA แบบเรียงตัวสูงมาก ช่วยลดต้นทุนของ MEA ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็สามารถขนส่งโปรตอน อิเล็กตรอน แก๊ส น้ำ และสารอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของ PEMFC
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวประกอบด้วยอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์ อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ฟิล์มตัวเร่งปฏิกิริยา และอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ตัวนำโปรตอน
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์
ลักษณะโครงสร้างของคาร์บอนนาโนทิวบ์ทนทานต่อศักย์ไฟฟ้าสูง และการโต้ตอบและความยืดหยุ่นกับอนุภาค Pt ช่วยเพิ่มกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของอนุภาค Pt ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา มีการพัฒนาฟิล์มบางที่ใช้คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบตั้งตรง (VACNTs) อิเล็กโทรด กลไกการจัดเรียงแนวตั้งช่วยเพิ่มชั้นการแพร่กระจายของแก๊ส ความสามารถในการระบายน้ำ และประสิทธิภาพการใช้ประโยชน์ Pt
VACNT สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: หนึ่งคือ VACNT ที่ประกอบด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่โค้งงอและเบาบาง อีกประเภทหนึ่งคือคาร์บอนนาโนทิวบ์กลวงที่ประกอบด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์ตรงและหนาแน่น
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ฟิล์มตัวเร่งปฏิกิริยา
การจัดเรียงของฟิล์มตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นระเบียบส่วนใหญ่หมายถึงโครงสร้างนาโนแบบเรียงตัวของ Pt เช่น Pt nanotubes, Pt nanowires เป็นต้น ในบรรดาตัวแทนของอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาคือ NSTF ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ของบริษัท 3M เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยา Pt/C แบบดั้งเดิม NSTF มีลักษณะสำคัญสี่ประการ: ตัวนำตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นวิสเกอร์อินทรีย์แบบเรียงตัว ตัวเร่งปฏิกิริยาสร้างฟิล์มบางโลหะผสม Pt บนสิ่งมีชีวิตคล้ายวิสเกอร์ ไม่มีตัวนำคาร์บอนในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ความหนาของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา NSTF ต่ำกว่า 1um
อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวที่ใช้ตัวนำโปรตอน
หน้าที่หลักของอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวของตัวนำโปรตอนคือการแนะนำวัสดุพอลิเมอร์นาโนไวร์เพื่อส่งเสริมการขนส่งโปรตอนที่มีประสิทธิภาพในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา Yu และอื่นๆ โครงสร้าง TiO2/Ti ของอาร์เรย์ท่อนาโน TiO2 (TNTs) ถูกเตรียมบนแผ่นไทเทเนียม ตามด้วยการอบในบรรยากาศไฮโดรเจนเพื่อให้ได้ H-TNTs อนุภาค Pt Pd ถูกเตรียมบนพื้นผิวของ H-TNTs โดยใช้วิธีการทำให้ไวต่อ SnCl2 และวิธีการแทนที่ ส่งผลให้เซลล์เชื้อเพลิงมีความหนาแน่นของพลังงานสูง
สถาบันวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์และภาควิชาวิศวกรรมยานยนต์แห่งมหาวิทยาลัย Tsinghua ได้สังเคราะห์ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเรียงตัวแบบใหม่เป็นครั้งแรกโดยอิงจากฟังก์ชันการนำโปรตอนอย่างรวดเร็วของนาโนไวร์ Nafion มีลักษณะดังต่อไปนี้: แท่งนาโน Nafion เติบโตในตำแหน่งบนเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน และความต้านทานการสัมผัสอินเทอร์เฟซลดลงเป็นศูนย์ การสะสมของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาอนุภาค Pt บนแท่งนาโน Nafion พร้อมทั้งฟังก์ชันการเร่งปฏิกิริยาและการนำไฟฟ้า อิเล็กตรอน แท่งนาโน Nafion มีการนำไฟฟ้าโปรตอนอย่างรวดเร็ว
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวเป็นทิศทางหลักของเทคโนโลยีการเตรียมอิเล็กโทรดเมมเบรนรุ่นต่อไป ในขณะที่ลดการบรรทุกองค์ประกอบกลุ่มแพลตินัม จำเป็นต้องพิจารณาห้าด้านเพิ่มเติม: อิเล็กโทรดเมมเบรนแบบเรียงตัวมีความไวสูงต่อสิ่งเจือปน ขยายช่วงการทำงานของอิเล็กโทรดเมมเบรนผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพวัสดุ การจำแนกคุณลักษณะ และการสร้างแบบจำลอง การแนะนำโครงสร้างนาโนตัวนำโปรตอนอย่างรวดเร็วลงในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา การพัฒนาขั้นตอนการผลิตจำนวนมากต้นทุนต่ำ การศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับการโต้ตอบและผลกระทบแบบเสริมฤทธิ์กันระหว่างเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนของอิเล็กโทรดเมมเบรน ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า และชั้นการแพร่กระจายของแก๊ส
ข้อดีของเทคโนโลยีการเตรียมอิเล็กโทรดเมมเบรนและวิธีการพ่นด้วยคลื่นเสียง:
(1) โดยการปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสม เช่น กำลังและคลื่นความถี่ของหัวฉีดอัลตราโซนิก สารละลายตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้เป็นละอองสามารถมีการกระดอนกลับเล็กน้อยและมีแนวโน้มที่จะเกิดการพ่นเกินน้อยลง ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราการใช้ประโยชน์ของตัวเร่งปฏิกิริยา
(2) แท่งสั่นอัลตราโซนิกกระจายอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างมาก และหัวฉีดกระจายอัลตราโซนิกมีผลในการกวนสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยารอง ซึ่งช่วยลดโอกาสในการปนเปื้อนทางเคมีของแพลตินัมและลดพื้นที่กิจกรรมการเกิดปฏิกิริยา
(3) ใช้งานง่าย เป็นระบบอัตโนมัติสูง เหมาะสำหรับการผลิตอิเล็กโทรดเมมเบรนจำนวนมาก
