Células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM)estão entre as tecnologias mais promissoras para atingir "pico de carbono" e "neutralidade de carbono." Embora as células de combustível PEM tenham passado por altos e baixos nos últimos séculos, elas atualmente desempenham um papel crucial na construção de uma sociedade sustentável.Células de combustível PEMoferecem cargas de platina (Pt) significativamente menores em comparação com as gerações anteriores. Por exemplo, a carga total de Pt da célula de combustível Toyota Mirai de primeira geração (2017), que foi o primeiro veículo comercializado com célula de combustível PEM, é de apenas 0,365 mg cm⁻², uma redução substancial em comparação com a primeira célula de combustível prática de 1962, que tinha uma carga de Pt de 35 mg cm⁻² e usava solução de hidróxido de potássio como eletrólito. Os avanços significativos nas células de combustível PEM são atribuídos não apenas ao desenvolvimento de camadas catalíticas, mas também à substituição de eletrólitos de solução ácido/base tradicionais por resinas avançadas de ácido perfluorossulfônico (como Nafion). Desde sua introdução na década de 1970, esses materiais evoluíram a estrutura de conjuntos de eletrodos de membrana (MEAs) e processos de fabricação relacionados.
Células de combustível PEMgradualmente encontraram aplicações comerciais, como servir como fontes de energia para veículos. Empresas como Toyota, Hyundai e Honda lançaram veículos de célula de combustível no mercado. No entanto,Células de combustível PEMatualmente enfrentam a concorrência de motores de combustão interna e baterias, principalmente devido aos seus altos custos e menor vida útil. Para superar esses desafios, o desenvolvimento de materiais avançados e tecnologias de fabricação é essencial. Esse progresso requer colaboração próxima entre empresas, universidades, instituições de pesquisa, clientes e governos. Nesse processo, a pesquisa fundamental deve se concentrar no desenvolvimento de MEAs duráveis e de alto desempenho, enquanto os esforços industriais devem considerar a ampliação da produção de materiais e componentes essenciais. Atualmente, os componentes de MEAs, incluindo catalisadores, ionômeros, membranas e camadas de difusão de gás (GDLs), foram implementados com sucesso na produção industrial. No entanto, a integração desses materiais em MEAs geralmente resulta em perdas significativas de desempenho. A comunidade técnica tem dado atenção considerável à compatibilidade de componentes e desenvolveu processos de fabricação de MEA aprimorados com base nesse entendimento.
2. Últimos avanços em materiais-chave para eletrodos de membrana
O MEA é o principal local para reações eletroquímicas e desempenha um papel central nas células de combustível PEM. Os MEAs geralmente consistem em seis componentes principais: catalisadores, ionômeros, membranas de troca de prótons, camadas de difusão de gás (GDLs), adesivos e armações. O mecanismo operacional dos MEAs é ilustrado nas figuras. A energia elétrica é gerada por meio de reações redox independentes que ocorrem no ânodo e no cátodo. Portanto, estudar a cinética dessas reações redox é essencial, o que requer catalisadores eficientes para acelerar a cinética da reação. Normalmente, os catalisadores operam na camada de catalisador, localizada entre o GDL e o PEM. Para facilitar a transferência de prótons na camada de catalisador e aumentar sua resistência mecânica, ionômeros com propriedades condutoras de prótons precisam ser aplicados. A composição do ionômero geralmente corresponde à da membrana de troca de prótons, permitindo a rápida transferência de prótons do ânodo para o cátodo, ao mesmo tempo em que evita o cruzamento de hidrogênio e oxigênio durante a operação. Além disso, os GDLs hidrofóbicos em ambos os lados são cruciais para a distribuição de gás e remoção do excesso de umidade, o que é essencial para o gerenciamento de água em células de combustível. Esses materiais estão no cerne dos MEAs.
