خلية وقود غشائية لتبادل البروتونات

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 13 صور
الموسوعة الحرة
رسم تخطيطي لخلية وقود PEM

خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات ( PEMFC )، والمعروفة أيضًا باسم خلايا الوقود ذات غشاء البوليمر الإلكتروليتي (PEM)، هي نوع من خلايا الوقود يجري تطويرها بشكل أساسي لتطبيقات النقل، بالإضافة إلى تطبيقات خلايا الوقود الثابتة والمحمولة . وتشمل سماتها المميزة نطاقات درجات حرارة/ضغوط منخفضة (من 50 إلى 100 درجة مئوية) وغشاء بوليمر إلكتروليتي خاص موصل للبروتونات  . تولد خلايا PEMFC الكهرباء وتعمل وفق مبدأ معاكس للتحليل الكهربائي لغشاء PEM ، الذي يستهلك الكهرباء. وهي مرشح رئيسي لاستبدال تقنية خلايا الوقود القلوية القديمة ، التي كانت تُستخدم في مكوك الفضاء . [ 1 ]

علوم

تُصنع خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs) من مجموعات أقطاب غشائية (MEA) تتضمن الأقطاب الكهربائية، والإلكتروليت، والمحفز، وطبقات نشر الغاز. يُرش أو يُدهن مزيج من المحفز والكربون والأقطاب الكهربائية على الإلكتروليت الصلب، ويُضغط ورق الكربون بالحرارة على كلا الجانبين لحماية الجزء الداخلي من الخلية، كما يعمل كقطب كهربائي. الجزء المحوري في الخلية هو الحد الفاصل ثلاثي الأطوار (TPB) حيث يختلط الإلكتروليت والمحفز والمواد المتفاعلة، وبالتالي تحدث تفاعلات الخلية فعليًا. [ 2 ] من المهم ألا يكون الغشاء موصلًا للكهرباء حتى لا تختلط أنصاف التفاعلات.  يُفضل أن تكون درجات حرارة التشغيل أعلى من 100 درجة مئوية حتى يتحول الماء الناتج إلى بخار، ويصبح التحكم في الماء أقل أهمية في تصميم الخلية.

ردود الفعل

تقوم خلية الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات بتحويل الطاقة الكيميائية المنطلقة أثناء التفاعل الكهروكيميائي للهيدروجين والأكسجين إلى طاقة كهربائية ، على عكس الاحتراق المباشر لغازات الهيدروجين والأكسجين لإنتاج الطاقة الحرارية .

يُضخ تيار من الهيدروجين إلى جانب المصعد في وحدة غشاء التبادل الأيوني ( MEA). عند جانب المصعد، ينقسم الهيدروجين تحفيزيًا إلى بروتونات وإلكترونات . يُعبَّر عن تفاعل نصف الخلية للأكسدة هذا، أو تفاعل أكسدة الهيدروجين (HOR)، بالمعادلة التالية:

عند المصعد:

ح2→2ح++2هـ-{\displaystyle \mathrm {H} _{2}\rightarrow \mathrm {2H} ^{+}+\mathrm {2e} ^{-}}هـ∘=0Vدهـ∘دتي=0مVك-1{\displaystyle E^{\circ }=0\,\mathrm {V} \,\,\,{\frac {\mathrm {d} E^{\circ }}{\mathrm {d} T}}=0\,\mathrm {mV\,K^{-1}} }(1){\displaystyle \left(1\right)}

تتخلل البروتونات المتكونة حديثًا غشاء البوليمر الإلكتروليتي إلى جانب الكاثود. وتنتقل الإلكترونات عبر دائرة حمل خارجية إلى جانب الكاثود في وحدة غشاء الإلكتروليت (MEA)، مما يُنتج تيار خرج خلية الوقود. في الوقت نفسه، يُضخ تيار من الأكسجين إلى جانب الكاثود في وحدة غشاء الإلكتروليت. عند جانب الكاثود، تتفاعل جزيئات الأكسجين مع البروتونات المتخللة عبر غشاء البوليمر الإلكتروليتي والإلكترونات القادمة عبر الدائرة الخارجية لتكوين جزيئات الماء. يُرمز إلى تفاعل نصف الخلية الاختزالي هذا، أو تفاعل اختزال الأكسجين (ORR)، بالمعادلة التالية:

عند المهبط:

12يا2+2ح++2هـ-→ح2يا{\displaystyle {\frac {1}{2}}\mathrm {O} _{2}+{2\mathrm {H} }^{+}+\mathrm {2e} ^{-}\rightarrow \mathrm {H} _ {2}\mathrm {O} }هـ∘=1.2291Vدهـ∘دتي=-0.8456مVك-1{\displaystyle E^{\circ }=1.2291\,\mathrm {V} \,\,\,{\frac {\mathrm {d} E^{\circ }}{\mathrm {d} T}}=-0.8456\,\mathrm {mV\,K^{-1}} }[ 3 ](2){\displaystyle \left(2\right)}

رد الفعل العام:

ح2+12يا2→ح2يا{\displaystyle \mathrm {H} _{2}+{\frac {1}{2}}\mathrm {O} _{2}\rightarrow \mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }هـ∘=1.2291Vدهـ∘دتي=-0.8456مVك-1{\displaystyle E^{\circ }=1.2291\,\mathrm {V} \,\,\,{\frac {\mathrm {d} E^{\circ }}{\mathrm {d} T}}=-0.8456\,\mathrm {mV\,K^{-1}} }(3){\displaystyle \left(3\right)}

يُعبّر عن التفاعل العكوس بالمعادلة ، ويُظهر إعادة دمج بروتونات الهيدروجين وإلكتروناته مع جزيء الأكسجين، وتكوين جزيء ماء واحد. تُعطى الجهود في كل حالة بالنسبة إلى قطب الهيدروجين القياسي .

غشاء إلكتروليت بوليمري

صورة مجهرية إلكترونية ماسحة لمقطع عرضي لوحدة غشاء تبادل البروتونات (PEMFC MEA) مع مهبط محفز من معدن غير ثمين ومصعد من البلاتين/الكربون. تم استخدام ألوان اصطناعية للتوضيح. [ 4 ]
طرق تصنيع MEA لخلايا الوقود PEMFC [ 4 ]

لكي تعمل الغشاء، يجب أن يسمح بمرور أيونات الهيدروجين (البروتونات) دون الإلكترونات، لأن ذلك سيؤدي فعلياً إلى " قصر الدائرة " في خلية الوقود. كما يجب ألا يسمح الغشاء بمرور أي من الغازين إلى الجانب الآخر من الخلية، وهي مشكلة تُعرف باسم تسرب الغازات . [ 5 ] [ 6 ] وأخيراً، يجب أن يكون الغشاء مقاوماً للبيئة المختزلة عند المهبط، وكذلك للبيئة المؤكسدة القاسية عند المصعد.

يُعدّ انشطار جزيء الهيدروجين سهلاً نسبياً باستخدام محفز البلاتين . مع ذلك، يُعدّ انشطار جزيء الأكسجين أكثر صعوبة، مما يُسبب خسائر كهربائية كبيرة. لم يتم اكتشاف مادة محفزة مناسبة لهذه العملية، ويُعتبر البلاتين الخيار الأمثل.

نقاط القوة

1. سهولة الإغلاق

تستخدم خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs) غشاءً بوليمريًا رقيقًا كإلكتروليت. يقع هذا الغشاء بين طبقتي المحفز في المصعد والمهبط، ويسمح بمرور البروتونات إلى المهبط بينما يمنع مرور الإلكترونات. كلما كان اتصال الغشاء البوليمري بطبقة المحفز أفضل، انخفضت مقاومة السطح البيني. [ 7 ] بالمقارنة مع الإلكتروليتات السائلة، فإن احتمالية تسرب الغشاء البوليمري أقل بكثير. [2] يُصنع الغشاء عادةً من مواد مثل حمض البيرفلوروسلفونيك (PFSA، يُباع تجاريًا باسمي نافيون وأكويفيون)، مما يقلل من تسرب الغازات وحدوث قصر في دائرة خلية الوقود. من عيوب البوليمرات المحتوية على الفلور تكوّن مركبات PFAS أثناء الإنتاج (والتخلص منها) . تُعرف مركبات PFAS، أو ما يُسمى بالمواد الكيميائية الأبدية، بأنها شديدة السمية. البوليمرات الأحدث مثل البوليمر الحاصل على براءة اختراع مؤخراً SPX3 (بوليمرات تتكون من وحدات متكررة من أكسيد 2،6-ثنائي فينيل-1،4-فينيلين المُسلفن - US 11434329 B2) خالية من الفلور، وبالتالي لا تحمل خطر مركبات PFAS. [ 8 ]

2. درجة حرارة تشغيل منخفضة

في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة للغاية، قد يتجمد الماء الناتج عن خلايا الوقود في طبقات مسامية وقنوات تدفق. ويمكن لهذا الماء المتجمد أن يعيق نقل الغاز والوقود، فضلاً عن تغطية مواقع تفاعل المحفز، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة الناتجة وفشل بدء تشغيل خلية الوقود.

مع ذلك، تسمح درجة حرارة التشغيل المنخفضة لخلايا وقود PEM بالوصول إلى درجة حرارة مناسبة مع تسخين أقل مقارنةً بأنواع خلايا الوقود الأخرى. وبهذا النهج، أثبتت خلايا وقود PEM قدرتها على بدء التشغيل البارد من درجة حرارة -20 درجة مئوية. [ 9 ]

3. كتلة خفيفة وكثافة طاقة عالية (تطبيقات النقل)

أثبتت خلايا الوقود PEM قدرتها على توليد كثافة طاقة عالية تصل إلى 39.7 كيلوواط/كيلوغرام، مقارنةً بـ 2.5 كيلوواط/كيلوغرام لخلايا الوقود الصلبة المؤكسدة. [ 10 ] ونظرًا لهذه الكثافة العالية للطاقة، تُجرى أبحاث مكثفة حول تطبيقاتها المحتملة في مجال النقل والتكنولوجيا القابلة للارتداء.

نقاط الضعف

لا تزال خلايا الوقود القائمة على تقنية PEM تعاني من العديد من المشاكل:

1. إدارة المياه

تُعدّ إدارة الماء أمرًا بالغ الأهمية للأداء: فإذا تبخر الماء ببطء شديد، فإنه سيغمر الغشاء، وسيؤدي تراكم الماء داخل لوحة تدفق المجال إلى إعاقة تدفق الأكسجين إلى خلية الوقود. أما إذا تبخر الماء بسرعة كبيرة، فسيجف الغشاء وتزداد المقاومة عبره. وفي كلتا الحالتين، سيؤثر ذلك سلبًا على الاستقرار وإنتاج الطاقة. وتُعتبر إدارة الماء موضوعًا بالغ الصعوبة في أنظمة PEM، ويرجع ذلك أساسًا إلى انجذاب الماء الموجود في الغشاء نحو مهبط الخلية بفعل الاستقطاب. [ 11 ]

توجد مجموعة واسعة من الحلول لإدارة المياه، بما في ذلك دمج مضخة كهروأسموزي .

من الطرق المبتكرة الأخرى لحل مشكلة إعادة تدوير الماء تصميم مجال التدفق ثلاثي الأبعاد ذي الشبكة الدقيقة المستخدم في سيارة تويوتا ميراي (2014). يعتمد التصميم التقليدي لمجموعة خلايا الوقود على إعادة تدوير الماء من مخرج الهواء إلى مدخله عبر مرطب ذي قناة مستقيمة ومجالات تدفق معدنية مسامية [54] . يتكون مجال التدفق من ضلع وقنوات. مع ذلك، يغطي الضلع جزئيًا طبقة نشر الغاز (GDL)، مما يجعل مسافة نقل الغاز الناتجة أطول من المسافة بين القنوات. علاوة على ذلك، يؤدي ضغط التلامس بين طبقة نشر الغاز والضلع إلى ضغط طبقة نشر الغاز، مما يجعل سمكها غير منتظم عبر الضلع والقناة [55] . يزيد عرض الضلع الكبير وسمكه غير المنتظم من احتمالية تراكم بخار الماء، مما يؤثر سلبًا على الأكسجين. ونتيجة لذلك، يُعيق الأكسجين من الانتشار إلى طبقة المحفز، مما يؤدي إلى توليد طاقة غير منتظم في خلية الوقود.

أتاح هذا التصميم الجديد تشغيل أول مجموعة خلايا وقود دون الحاجة إلى نظام ترطيب، مع التغلب على مشكلات إعادة تدوير الماء وتحقيق استقرار عالٍ في إنتاج الطاقة [54] . تسمح الشبكة الميكروية ثلاثية الأبعاد بمسارات أكثر لتدفق الغاز، مما يعزز تدفق الهواء نحو غشاء القطب الكهربائي ومجموعة طبقة نشر الغاز (MEGA)، ويعزز انتشار الأكسجين إلى طبقة المحفز. على عكس مجالات التدفق التقليدية، تعمل الشبكات الميكروية ثلاثية الأبعاد في المجال المعقد كحواجز، وتحفز تدفقًا متكررًا على المستوى الميكروي بين طبقة نشر الغاز ومجالات التدفق [53] . بفضل هذا التدفق الحراري المتكرر على المستوى الميكروي، يتحسن نقل الأكسجين إلى طبقة المحفز وإزالة الماء السائل من طبقة نشر الغاز بشكل ملحوظ. يُسحب الماء المتولد بسرعة عبر مجال التدفق، مما يمنع تراكمه داخل المسام. ونتيجة لذلك، يكون توليد الطاقة من مجال التدفق هذا منتظمًا عبر المقطع العرضي، كما يتم تفعيل الترطيب الذاتي.

2. مدى ضعف المحفز

يتأثر عامل البلاتين الحفاز الموجود على الغشاء بسهولة بأول أكسيد الكربون، الذي غالبًا ما يوجد في غازات نواتج إعادة تشكيل الميثان (لا تتجاوز نسبته عادةً جزءًا واحدًا في المليون). وهذا يستلزم عمومًا استخدام تفاعل تحويل غاز الماء لإزالة أول أكسيد الكربون من غازات النواتج وتكوين المزيد من الهيدروجين. [ 12 ] إضافةً إلى ذلك، يتأثر الغشاء بوجود أيونات المعادن، التي قد تُضعف آليات توصيل البروتونات، ويمكن أن تتسرب هذه الأيونات نتيجة تآكل الصفائح ثنائية القطب المعدنية، أو المكونات المعدنية في نظام خلية الوقود، أو من الملوثات الموجودة في الوقود/المؤكسد.

تم اقتراح أنظمة أغشية تبادل البروتونات (PEM) التي تستخدم الميثانول المُعاد تشكيله ، كما في سيارة دايملر كرايسلر نيكار 5؛ إلا أن إعادة تشكيل الميثانول، أي تفاعله لإنتاج الهيدروجين، عملية معقدة للغاية، تتطلب أيضًا تنقية أول أكسيد الكربون الناتج عن التفاعل. ويُعد استخدام محفز من البلاتين والروثينيوم ضروريًا، إذ لا مفر من وصول بعض أول أكسيد الكربون إلى الغشاء. ويجب ألا يتجاوز مستواه 10 أجزاء في المليون . علاوة على ذلك، تستغرق عملية بدء تشغيل مفاعل إعادة التشكيل هذا حوالي نصف ساعة. كبديل، يمكن تغذية خلية وقود PEM بالميثانول، وبعض أنواع الوقود الحيوي الأخرى ، مباشرةً دون إعادة تشكيله، مما يُنتج خلية وقود الميثانول المباشر ( DMFC ). إلا أن هذه الأجهزة تعمل بنجاح محدود.

3. حدود درجة حرارة التشغيل

يُعد غشاء نافيون من شركة كيمورز الغشاء الأكثر استخدامًا ، ويعتمد على ترطيب الغشاء بالماء السائل لنقل البروتونات. وهذا يعني أنه من غير العملي استخدام درجات حرارة أعلى من 80 إلى 90  درجة مئوية، لأن الغشاء سيجف. أما أنواع الأغشية الأخرى الأحدث، المصنوعة من بولي بنزيميدازول (PBI) أو حمض الفوسفوريك ، فيمكنها الوصول إلى 220  درجة مئوية دون الحاجة إلى أي نظام لإدارة الماء (انظر أيضًا خلية وقود غشاء تبادل البروتونات عالية الحرارة ، HT-PEMFC): تسمح درجات الحرارة المرتفعة بتحسين الكفاءة وكثافة الطاقة، وسهولة التبريد (بسبب فروق درجات الحرارة المسموح بها الأكبر)، وتقليل الحساسية للتسمم بأول أكسيد الكربون، وتحسين التحكم (بسبب عدم وجود مشاكل في إدارة الماء في الغشاء)؛ ومع ذلك، فإن هذه الأنواع الحديثة ليست شائعة. [ 13 ] يمكن تطعيم PBI بحمض الفوسفوريك أو حمض الكبريتيك ، وتتناسب الموصلية طرديًا مع كمية التطعيم ودرجة الحرارة. [ 14 ] عند درجات الحرارة العالية، يصعب الحفاظ على ترطيب نافيون، لكن هذه المادة المُطعّمة بالحمض لا تستخدم الماء كوسيط لتوصيل البروتونات. كما أنها تتميز بخصائص ميكانيكية أفضل، وقوة أعلى، من نافيون، وهي أرخص. مع ذلك، يُعدّ تسرب الحمض مشكلة كبيرة، وقد أثبتت عملية المعالجة، وخلطها مع المحفز لتكوين الحبر، صعوبتها. تُعدّ البوليمرات العطرية، مثل PEEK، أرخص بكثير من التفلون ( PTFE والعمود الفقري لنافيون)، وتؤدي طبيعتها القطبية إلى ترطيب أقل اعتمادًا على درجة الحرارة من نافيون. مع ذلك، فإن PEEK أقل توصيلًا أيونيًا بكثير من نافيون، وبالتالي فهي خيار إلكتروليت أقل تفضيلًا. [ 15 ] في الآونة الأخيرة، أظهرت السوائل الأيونية البروتونية والبلورات البلاستيكية الأيونية العضوية البروتونية أنها مواد إلكتروليت بديلة واعدة لخلايا الوقود  الغشائية البروتونية ذات درجات الحرارة العالية (100-200 درجة مئوية). [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

الأقطاب الكهربائية

يتكون القطب الكهربائي عادةً من دعامة كربونية، وجزيئات بلاتينية، وبوليمر نافيون أيونومر، و/أو مادة رابطة من التفلون. تعمل الدعامة الكربونية كموصل كهربائي، بينما تُشكل جزيئات البلاتين مواقع تفاعل، ويوفر البوليمر الأيونومر مسارات لتوصيل البروتونات، وتزيد مادة التفلون الرابطة من كراهية الماء للقطب الكهربائي لتقليل احتمالية حدوث فيضان. ولتمكين التفاعلات الكهروكيميائية عند الأقطاب الكهربائية، يجب أن تصل البروتونات والإلكترونات والغازات المتفاعلة (الهيدروجين أو الأكسجين) إلى سطح المحفز في الأقطاب، بينما يجب أن يكون الماء الناتج، الذي قد يكون في الحالة السائلة أو الغازية أو كليهما، قادرًا على النفاذ من المحفز إلى مخرج الغاز. تتحقق هذه الخصائص عادةً بواسطة مركبات مسامية من بوليمر إلكتروليتي رابط (بوليمر أيونومر) وجزيئات نانوية من المحفز مدعومة بجزيئات كربونية. [ 19 ] يُستخدم البلاتين عادةً كعامل حفاز للتفاعلات الكهروكيميائية عند المصعد والمهبط، بينما تُحقق الجسيمات النانوية نسبًا عالية من مساحة السطح إلى الوزن (كما هو موضح أدناه)، مما يُقلل من كمية البلاتين باهظ الثمن. يوفر رابط البوليمر الإلكتروليتي التوصيل الأيوني، بينما يُحسّن الدعم الكربوني للعامل الحفاز التوصيل الكهربائي ويُمكّن من استخدام كميات قليلة من معدن البلاتين. [ 20 ] عادةً ما يكون التوصيل الكهربائي في الأقطاب الكهربائية المركبة أعلى بأكثر من 40 مرة من توصيل البروتونات. [ 21 ]

طبقة انتشار الغاز

تربط طبقة نشر الغاز (GDL) كهربائيًا بين المحفز وجامع التيار. يجب أن تكون مسامية، موصلة للكهرباء، ورقيقة. يجب أن تتمكن المواد المتفاعلة من الوصول إلى المحفز، ولكن قد تعمل الموصلية والمسامية كقوتين متعاكستين. من الناحية المثلى، يجب أن تتكون طبقة نشر الغاز من حوالي ثلث نافيون أو 15% بولي تترافلوروإيثيلين (PTFE). يمكن أن تكون جزيئات الكربون المستخدمة في طبقة نشر الغاز أكبر من تلك المستخدمة في المحفز لأن مساحة السطح ليست المتغير الأكثر أهمية في هذه الطبقة. يجب أن يتراوح  سمك طبقة نشر الغاز بين 15 و35 ميكرومترًا لتحقيق التوازن بين المسامية المطلوبة والقوة الميكانيكية. [ 22 ] غالبًا ما تُضاف طبقة مسامية وسيطة بين طبقة نشر الغاز وطبقة المحفز لتسهيل الانتقال بين المسام الكبيرة في طبقة نشر الغاز والمسامية الصغيرة في طبقة المحفز. بما أن الوظيفة الأساسية لطبقة نشر الغاز هي المساعدة في إزالة الماء، وهو أحد نواتج التفاعل، فقد يحدث غمر عندما يسد الماء طبقة نشر الغاز بشكل فعال. هذا يحد من قدرة المواد المتفاعلة على الوصول إلى المحفز ويقلل الأداء بشكل كبير. يمكن طلاء طبقة نشر الغاز (GDL) بالتفلون للحد من احتمالية حدوث الفيضان. [ 15 ] يتم تحليل العديد من المتغيرات المجهرية في طبقة نشر الغاز، مثل: المسامية، والتعرج، والنفاذية. تؤثر هذه المتغيرات على سلوك خلايا الوقود. [ 23 ]

كفاءة

تبلغ الكفاءة النظرية القصوى عند تطبيق معادلة طاقة جيبس ​​الحرة ΔG = −237.13 كيلوجول/مول وباستخدام القيمة الحرارية للهيدروجين (ΔH = −285.84 كيلوجول/مول) 83% عند 298 كلفن.

η=ΔجيΔح=1-تيΔSΔح{\displaystyle \eta ={\frac {\Delta G}{\Delta H}}=1-{\frac {T\Delta S}{\Delta H}}}

تتراوح الكفاءة العملية لأغشية تبادل البروتونات بين 50 و60%. أهم العوامل التي تُسبب الفاقد هي:

  • خسائر التنشيط
  • الخسائر الأومية
  • خسائر النقل الجماعي

الصفائح ثنائية القطب

تُستخدم الأقطاب الكهربائية الخارجية، والتي تُعرف غالبًا بالصفائح ثنائية القطب أو الصفائح الخلفية، لتوزيع الوقود والأكسجين بشكل متساوٍ على المحفزات، وإزالة الماء، وجمع التيار الكهربائي ونقله. لذا، يجب أن تكون على اتصال وثيق بالمحفز. ولأن هذه الصفائح تتصل بكلٍ من غشاء تبادل البروتونات (PEM) وطبقات المحفز، يجب أن تتمتع الصفيحة الخلفية بمتانة هيكلية ومقاومة للتسرب في حالة حدوث عطل هيكلي نتيجة اهتزاز خلية الوقود وتغيرات درجة الحرارة. ونظرًا لأن خلايا الوقود تعمل في نطاقات واسعة من درجات الحرارة وفي بيئات شديدة الاختزال/الأكسدة، يجب أن تتمتع الصفائح بتحمل سطحي عالٍ ضمن نطاقات درجات الحرارة الواسعة، وأن تكون مستقرة كيميائيًا. ولأن الصفيحة الخلفية تُشكل أكثر من ثلاثة أرباع كتلة خلية الوقود، يجب أن تكون مادتها خفيفة الوزن لزيادة كثافة الطاقة إلى أقصى حد.

غالبًا ما تكون المواد التي تستوفي جميع هذه المتطلبات باهظة الثمن. وقد أثبت الذهب استيفاءه لهذه المعايير بشكل جيد، ولكنه يُستخدم فقط في كميات إنتاج صغيرة نظرًا لتكلفته العالية. يُعدّ نتريد التيتانيوم (TiN) مادة أرخص تُستخدم في الألواح الخلفية لخلايا الوقود نظرًا لاستقرارها الكيميائي العالي، وموصلية الكهرباء، ومقاومتها للتآكل. مع ذلك، يمكن أن تؤدي العيوب في طبقة TiN بسهولة إلى تآكل المادة الأساسية، والتي غالبًا ما تكون الفولاذ. [ 24 ]

لأداء وظيفتها الأساسية المتمثلة في توزيع الغاز والوقود، غالبًا ما تحتوي هذه الصفائح على قنوات مستقيمة متوازية على سطحها. مع ذلك، أدى هذا النهج البسيط إلى مشاكل مثل التوزيع غير المتساوي للضغط، وقطرات الماء التي تعيق تدفق الغاز، وتذبذبات في القدرة الناتجة. [ 25 ] يجري استكشاف مناهج مبتكرة، مثل النماذج الكسورية المستوحاة من الطبيعة [ 26 ] والمحاكاة الحاسوبية [ 27 ] ، لتحسين أداء هذه الصفائح ثنائية القطب.

الأطر المعدنية العضوية

تُعدّ الأطر المعدنية العضوية (MOFs) فئةً حديثةً نسبيًا من المواد المسامية عالية التبلور، تتكون من عُقد معدنية متصلة بروابط عضوية. وبفضل سهولة تعديل أو استبدال المراكز المعدنية والروابط، يتوفر عددٌ لا حصر له من التركيبات الممكنة، ما يجعلها جذابةً من منظور التصميم. تتميز الأطر المعدنية العضوية بخصائص فريدة عديدة، منها أحجام مسامها القابلة للتعديل، وثباتها الحراري، وسعتها الحجمية العالية، ومساحات سطحها الكبيرة، وخصائصها الكهروكيميائية المرغوبة. ومن بين استخداماتها المتنوعة، تُعدّ الأطر المعدنية العضوية مرشحةً واعدةً لتطبيقات الطاقة النظيفة، مثل تخزين الهيدروجين، وفصل الغازات، والمكثفات الفائقة، وبطاريات الليثيوم أيون، والخلايا الشمسية، وخلايا الوقود. وفي مجال أبحاث خلايا الوقود، تُدرس الأطر المعدنية العضوية كمواد إلكتروليتية محتملة ومحفزات للأقطاب الكهربائية، والتي يُمكن أن تحل محل أغشية البوليمر التقليدية ومحفزات البلاتين في المستقبل.

قد يبدو استخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs) كمواد إلكتروليتية غير بديهي للوهلة الأولى. فأغشية خلايا الوقود تتميز عمومًا بمسامية منخفضة لمنع تسرب الوقود وفقدان الجهد بين المصعد والمهبط. إضافةً إلى ذلك، تميل الأغشية إلى انخفاض درجة تبلورها لأن انتقال الأيونات يكون أسهل في المواد غير المنتظمة. من ناحية أخرى، يمكن ملء المسام بناقلات أيونية إضافية، مما يُحسّن في النهاية الموصلية الأيونية للنظام، كما أن ارتفاع درجة التبلور يُبسّط عملية التصميم.

تتضمن المتطلبات العامة للإلكتروليت الجيد لخلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs) ما يلي: موصلية بروتونية عالية (>10⁻² سيمنز /سم للتطبيقات العملية) لتمكين نقل البروتونات بين الأقطاب، واستقرار كيميائي وحراري جيد في ظل ظروف تشغيل خلية الوقود (الرطوبة البيئية، ودرجات الحرارة المتغيرة، ومقاومة المواد السامة، وما إلى ذلك)، وتكلفة منخفضة، وإمكانية تصنيعه على شكل أغشية رقيقة، وتوافق عام مع مكونات الخلية الأخرى. [ 28 ] في حين أن المواد البوليمرية هي الخيار المفضل حاليًا للأغشية الموصلة للبروتونات، إلا أنها تتطلب ترطيبًا لتحقيق أداء مناسب، وقد تتدهور فيزيائيًا في بعض الأحيان بسبب تأثيرات التميؤ، مما يؤدي إلى فقدان الكفاءة. وكما ذُكر، فإن غشاء نافيون محدود أيضًا بدرجة حرارة تجفيف أقل من 100  درجة مئوية، مما قد يؤدي إلى بطء حركية التفاعل، وانخفاض كفاءة التكلفة، وتسمم محفزات قطب البلاتين بأول أكسيد الكربون. في المقابل، أظهرت الأطر المعدنية العضوية (MOFs) موصلية بروتونية واعدة في كل من نطاقات درجات الحرارة المنخفضة والعالية، وكذلك في نطاق واسع من ظروف الرطوبة. عند درجات حرارة أقل من 100  درجة مئوية وفي وجود الماء، يساعد وجود الروابط الهيدروجينية وجزيئات الماء المذيبة في نقل البروتونات، بينما تكون الظروف الجافة مناسبة لدرجات حرارة أعلى من 100  درجة مئوية. كما تتميز الأطر المعدنية العضوية بميزة فريدة تتمثل في إظهار موصلية البروتونات من خلال هيكلها نفسه بالإضافة إلى تضمين حاملات الشحنة (مثل الماء والأحماض وما إلى ذلك) في مسامها.

من الأمثلة على ذلك في درجات الحرارة المنخفضة، عمل كيتاغاوا وآخرون، الذين استخدموا إطارًا ثنائي الأبعاد من طبقات أنيونية متصلة بجسور الأكسالات كطبقة مضيفة، وأدخلوا كاتيونات الأمونيوم وجزيئات حمض الأديبيك في المسام لزيادة تركيز البروتونات. [ 29 ] وكانت النتيجة إحدى أولى الحالات التي أظهر فيها إطار معدني عضوي موصلية فائقة البروتونات (8 × 10⁻³ سيمنز /سم) عند 25  درجة مئوية ورطوبة نسبية 98%. ووجدوا لاحقًا أن زيادة الخاصية المحبة للماء للكاتيونات المُدخلة في المسام يمكن أن يعزز موصلية البروتونات بشكل أكبر. في هذا النطاق من درجات الحرارة المنخفضة، والذي يعتمد على درجة الترطيب، تبين أيضًا أن موصلية البروتونات تعتمد بشكل كبير على مستويات الرطوبة.

من الأمثلة على المواد اللامائية عالية الحرارة مركب PCMOF2، الذي يتكون من أيونات الصوديوم المرتبطة بمشتق بنزين ثلاثي السلفونات. [ 30 ] ولتحسين الأداء والسماح بدرجات حرارة تشغيل أعلى، يمكن استبدال الماء كناقل للبروتونات بجزيئات إيميدازول أو تريازول أقل تطايرًا داخل المسام. بلغت درجة الحرارة القصوى 150  درجة مئوية مع موصلية مثلى قدرها 5 × 10⁻⁴ سيمنز /سم، وهي أقل من موصلية أغشية الإلكتروليت الأخرى المستخدمة حاليًا. ومع ذلك، يُبشر هذا النموذج بنتائج واعدة نظرًا لنظام درجة حرارته، وظروفه اللامائية، وقدرته على التحكم في كمية الجزيئات المضافة داخل المسام، مما يسمح بضبط موصلية البروتونات. بالإضافة إلى ذلك، تم دمج مركب PCMOF2 المحمل بالتريازول في مجموعة غشاء-قطب كهربائي من الهيدروجين / الهواء، وحقق جهد دائرة مفتوحة قدره 1.18 فولت عند 100  درجة مئوية، وكان هذا الجهد مستقرًا لمدة 72 ساعة، وظل محكم الإغلاق طوال فترة الاختبار. كانت هذه هي الحالة الأولى التي أثبتت إمكانية تطبيق MOFs فعليًا في خلايا الوقود العاملة، وأظهر فرق الجهد المعتدل أن تسرب الوقود بسبب المسامية لم يكن مشكلة.

حتى الآن، بلغت أعلى موصلية بروتونية تم تحقيقها لإلكتروليت MOF 4.2 × 10⁻² سيمنز /سم عند 25  درجة مئوية في ظروف رطبة (98% رطوبة نسبية)، وهي قيمة تُضاهي موصلية نافيون. [ 28 ] وقد نجحت بعض التجارب الحديثة في إنتاج أغشية MOF رقيقة بدلاً من العينات التقليدية أو البلورات الأحادية، وهو أمر بالغ الأهمية لتطبيقاتها الصناعية. وبمجرد أن تتمكن أغشية MOF من تحقيق مستويات موصلية كافية، وقوة ميكانيكية، وثبات في الماء، وسهولة في التصنيع، فإنها ستلعب دورًا هامًا في خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs) في المستقبل القريب.

تم أيضًا استهداف الأطر المعدنية العضوية (MOFs) كبدائل محتملة لمواد معادن مجموعة البلاتين (PGM) في محفزات الأقطاب الكهربائية، على الرغم من أن هذا البحث لا يزال في مراحله الأولى. في خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFCs)، يكون تفاعل اختزال الأكسجين (ORR) عند مهبط البلاتين أبطأ بكثير من تفاعل أكسدة الوقود عند المصعد، ولذلك يجري البحث عن محفزات خالية من معادن مجموعة البلاتين كبدائل. إن الكثافة الحجمية العالية، ومساحة سطح المسام الكبيرة، وانفتاح مواقع أيونات المعادن في الأطر المعدنية العضوية تجعلها مرشحة مثالية لسلائف المحفزات. [ 31 ] على الرغم من القدرات التحفيزية الواعدة، فإن متانة هذه المحفزات المقترحة القائمة على الأطر المعدنية العضوية أقل من المستوى المطلوب حاليًا، كما أن آلية تفاعل اختزال الأكسجين في هذا السياق لا تزال غير مفهومة تمامًا.

أبحاث كاتاليست

يمكن تصنيف معظم الأبحاث الحالية حول المحفزات لخلايا وقود PEM على أنها تهدف إلى تحقيق أحد الأهداف الرئيسية التالية:

  1. للحصول على نشاط تحفيزي أعلى من محفزات جسيمات البلاتين المدعومة بالكربون القياسية المستخدمة في خلايا وقود PEM الحالية
  2. للحد من تسمم محفزات خلايا الوقود PEM بالغازات الشائبة
  3. لتقليل تكلفة خلية الوقود نتيجة استخدام المحفزات القائمة على البلاتين
  4. لتعزيز نشاط تفاعل اختزال الأكسجين للمحفزات الكهربائية الخالية من معادن مجموعة البلاتين [ 32 ]

يُعدّ قياس المساحة السطحية الكهروكيميائية (ECSA) معيارًا هامًا لإجراء مقارنة عادلة بين المحفزات وتقييم أدائها، إذ يُمثّل المساحة الفعلية لسطح المحفز التي تُشارك بفعالية في تفاعلات الأكسدة والاختزال. وتُعدّ معرفة هذه المساحة ضرورية لتقييم نشاط المحفز (مثل النشاط النوعي والنشاط الكتلي) وتصميم القطب الكهربائي. ومن أكثر التقنيات استخدامًا لتحديد المساحة السطحية الكهروكيميائية تقنية إزالة أول أكسيد الكربون ، التي تستغلّ انجذاب أول أكسيد الكربون القوي لبعض المحفزات الكهربائية المعدنية لتقييم المساحة النشطة. [ 33 ]

ترد أمثلة على هذه الأساليب في الأقسام التالية.

زيادة النشاط التحفيزي

كما ذُكر سابقًا، يُعدّ البلاتين العنصر الأكثر فعاليةً في محفزات خلايا وقود PEM، وتستخدم جميع خلايا وقود PEM الحالية تقريبًا جزيئات البلاتين على دعامات كربونية مسامية لتحفيز كلٍّ من أكسدة الهيدروجين واختزال الأكسجين. مع ذلك، ونظرًا لتكلفتها العالية، فإن محفزات Pt/C الحالية غير مجدية تجاريًا. تُقدّر وزارة الطاقة الأمريكية أن المحفزات القائمة على البلاتين ستحتاج إلى استخدام كمية من البلاتين أقل بأربع مرات تقريبًا من تلك المستخدمة في تصميمات خلايا وقود PEM الحالية لكي تُشكّل بديلًا واقعيًا لمحركات الاحتراق الداخلي . [ 34 ] ونتيجةً لذلك، يتمثل أحد الأهداف الرئيسية لتصميم محفزات خلايا وقود PEM في زيادة النشاط التحفيزي للبلاتين بمقدار أربعة أضعاف، بحيث لا يلزم سوى ربع كمية المعدن النفيس لتحقيق أداء مماثل.

إحدى طرق تحسين أداء محفزات البلاتين هي تحسين حجم وشكل جزيئات البلاتين. يؤدي تقليل حجم الجزيئات وحده إلى زيادة المساحة السطحية الإجمالية للمحفز المتاحة للمشاركة في التفاعلات لكل وحدة حجم من البلاتين المستخدم، ولكن الدراسات الحديثة أظهرت طرقًا إضافية لإجراء تحسينات أكبر على الأداء التحفيزي. على سبيل المثال، تشير إحدى الدراسات إلى أن الأوجه ذات المؤشر العالي لجزيئات البلاتين النانوية ( أي مؤشرات ميلر ذات الأعداد الصحيحة الكبيرة، مثل Pt (730)) توفر كثافة أكبر من المواقع التفاعلية لاختزال الأكسجين مقارنةً بجزيئات البلاتين النانوية التقليدية. [ 35 ]

نظرًا لأن البلاتين، وهو المحفز الأكثر شيوعًا وفعالية، باهظ الثمن للغاية، فمن الضروري اللجوء إلى معالجة بديلة لزيادة مساحة السطح الكهروكيميائية إلى أقصى حد وتقليل التحميل. يوفر ترسيب جزيئات البلاتين النانوية على مسحوق الكربون (Pt/C) مساحة سطح كبيرة للبلاتين، بينما يسمح الكربون بالتوصيل الكهربائي بين المحفز وبقية الخلية. يتميز البلاتين بفعاليته العالية نظرًا لنشاطه الكبير وارتباطه بالهيدروجين بقوة كافية لتسهيل انتقال الإلكترونات دون إعاقة حركة الهيدروجين داخل الخلية. مع ذلك، يكون البلاتين أقل نشاطًا في تفاعل اختزال الأكسجين عند المهبط. هذا يستلزم استخدام كمية أكبر من البلاتين، مما يزيد من تكلفة الخلية وبالتالي يقلل من جدواها. يتم استبعاد العديد من خيارات المحفزات المحتملة بسبب الحموضة الشديدة للخلية. [ 15 ]

تُعدّ طرق الترسيب الفراغي والترسيب بالرش والترسيب الكهربائي من أكثر الطرق فعاليةً للحصول على طبقة نانوية من البلاتين على مسحوق الكربون، وهو الخيار الأمثل حاليًا. تُرسّب جزيئات البلاتين على ورق كربوني مُشبع بمادة PTFE. مع ذلك، توجد سماكة مثالية لهذه الطبقة الحفازة، مما يحدّ من التكلفة. فعند سماكة أقل من 4  نانومتر، يتشكّل البلاتين على هيئة جزر على الورق، مما يحدّ من فعاليته. أما عند سماكة أكبر من ذلك، فيُغطّي البلاتين الكربون ويُصبح حفازًا فعالًا. ومما يزيد الأمر تعقيدًا، أن مادة نافيون لا يُمكن اختراقها لأكثر من 10  ميكرومتر، لذا فإن استخدام كمية أكبر من البلاتين يُعدّ تكلفة غير ضرورية. وبالتالي، فإن كمية وشكل الحفاز محدودان بقيود المواد الأخرى. [ 22 ]

ثمة طريقة أخرى لزيادة النشاط التحفيزي للبلاتين، وهي مزجه مع معادن أخرى. فعلى سبيل المثال، أظهرت دراسة حديثة أن سطح Pt3Ni ( 111) يتمتع بنشاط اختزال أكسجين أعلى بعشرة أضعاف من سطح Pt(111) النقي. [ 36 ] ويعزو الباحثون هذا التحسن الكبير في الأداء إلى تعديلات في البنية الإلكترونية للسطح، مما يقلل من ميله للارتباط بالأنواع الأيونية المحتوية على الأكسجين الموجودة في خلايا وقود PEM، وبالتالي يزيد من عدد المواقع المتاحة لامتصاص الأكسجين واختزاله.

يمكن تحقيق كفاءة أعلى باستخدام فوهة فوق صوتية لتطبيق محفز البلاتين على طبقة الإلكتروليت أو على ورق الكربون في الظروف الجوية العادية، مما ينتج عنه رذاذ عالي الكفاءة. [ 37 ] وقد أظهرت الدراسات أنه نظرًا لتجانس حجم القطرات الناتجة عن هذا النوع من الرذاذ، وكفاءة النقل العالية لهذه التقنية، وعدم انسداد الفوهة، وأخيرًا لأن الطاقة فوق الصوتية تعمل على تفكيك التكتلات المعلقة قبل التذرية مباشرة، فإن خلايا الوقود المصنعة بهذه الطريقة تتميز بتجانس أكبر في وحدة الغشاء الإلكتروليتي النهائية، ويكون تدفق الغاز عبر الخلية أكثر انتظامًا، مما يزيد من كفاءة البلاتين في وحدة الغشاء الإلكتروليتي. [ 38 ] كما أظهرت دراسات حديثة تستخدم الطباعة النفاثة للحبر لترسيب المحفز على الغشاء، استخدامًا عاليًا للمحفز نظرًا لانخفاض سمك طبقات المحفز المترسبة. [ 39 ] [ 40 ]

في الآونة الأخيرة، تم تقديم فئة جديدة من المحفزات الكهربائية لتفاعل اختزال الأكسجين (ORR) في حالة أنظمة Pt-M (M-Fe [ 41 ] وCo) ذات نواة بين فلزية منتظمة مغلفة بغلاف غني بالبلاتين. [ 42 ] وقد وُجد أن هذه المحفزات النانوية ذات النواة-الغلاف بين الفلزية (IMCS) تُظهر نشاطًا مُحسَّنًا، والأهم من ذلك، متانة مُمتدة مقارنةً بالعديد من التصاميم السابقة. وبينما يُعزى التحسن الملحوظ في النشاط إلى شبكة بلورية مُجهدة، أفاد الباحثون أن نتائجهم المتعلقة بحركية التحلل تُثبت أن المتانة التحفيزية المُمتدة تُعزى إلى استمرار الترتيب الذري.

الحد من التسمم

يتمثل النهج الشائع الآخر لتحسين أداء المحفز في تقليل حساسيته للشوائب الموجودة في مصدر الوقود، وخاصة أول أكسيد الكربون (CO). [ 12 ] في الوقت الحاضر، أصبح إنتاج غاز الهيدروجين النقي بكميات كبيرة اقتصاديًا عن طريق التحليل الكهربائي . ومع ذلك، يُنتج معظم غاز الهيدروجين حاليًا عن طريق إعادة تشكيل الهيدروكربونات الخفيفة بالبخار ، وهي عملية تُنتج خليطًا من الغازات يحتوي أيضًا على أول أكسيد الكربون (1-3%)، وثاني أكسيد الكربون (19-25%)، والنيتروجين ( 25%). [ 43 ] حتى أن عشرات الأجزاء في المليون من أول أكسيد الكربون يمكن أن تُسمم محفز البلاتين النقي، لذا فإن زيادة مقاومة البلاتين لأول أكسيد الكربون تُعد مجالًا نشطًا للبحث.

على سبيل المثال، أشارت إحدى الدراسات إلى أن جزيئات البلاتين النانوية المكعبة الشكل ذات الأوجه (100) أظهرت زيادةً في نشاط اختزال الأكسجين بمقدار أربعة أضعاف مقارنةً بجزيئات البلاتين النانوية ذات الأوجه العشوائية من نفس الحجم. [ 44 ] وخلص الباحثون إلى أن أوجه (111) للجزيئات النانوية ذات الشكل العشوائي ترتبط بأيونات الكبريتات بقوة أكبر من أوجه (100)، مما يقلل من عدد المواقع التحفيزية المتاحة لجزيئات الأكسجين. في المقابل، احتوت المكعبات النانوية التي قاموا بتصنيعها بشكل شبه حصري على أوجه (100)، المعروفة بتفاعلها الأضعف مع الكبريتات. ينتج عن ذلك زيادة كبيرة في مساحة السطح الكهروكيميائية، مما يعزز نشاط اختزال الأكسجين للمحفز.

بالإضافة إلى ذلك، يبحث الباحثون في طرق لتقليل محتوى أول أكسيد الكربون في وقود الهيدروجين قبل دخوله خلية الوقود، كوسيلة محتملة لتجنب تسمم المحفزات. وكشفت دراسة حديثة أن جسيمات الروثينيوم-البلاتين النانوية ذات البنية الأساسية-الغلافية فعالة بشكل خاص في أكسدة أول أكسيد الكربون لتكوين ثاني أكسيد الكربون ، وهو ملوث وقود أقل ضررًا بكثير. [ 45 ] وتتشابه الآلية التي تُنتج هذا التأثير من حيث المفهوم مع تلك الموصوفة سابقًا لجسيمات Pt3Ni : إذ يُغير لب الروثينيوم في الجسيم البنية الإلكترونية لسطح البلاتين، مما يجعله أكثر قدرة على تحفيز أكسدة أول أكسيد الكربون.

خفض التكلفة

لا يزال التحدي الأكبر أمام جدوى خلايا وقود PEM اليوم يكمن في تكلفتها واستقرارها. ويعزى ارتفاع التكلفة إلى حد كبير إلى استخدام معدن البلاتين الثمين في طبقة المحفز في هذه الخلايا. ويمثل المحفز الكهربائي حاليًا ما يقارب نصف تكلفة مجموعة خلايا الوقود. [ 46 ] ورغم انخفاض نسبة البلاتين في خلايا وقود PEM بمقدار رتبتين خلال العقد الماضي، [ 47 ] إلا أن المزيد من التخفيض ضروري لجعل هذه التقنية مجدية اقتصاديًا للتسويق. وفي حين تسعى بعض الجهود البحثية إلى معالجة هذه المشكلة من خلال تحسين النشاط التحفيزي الكهربائي للمحفزات القائمة على البلاتين، يتمثل البديل في الاستغناء عن استخدام البلاتين تمامًا من خلال تطوير محفز كاثودي من معادن أخرى غير مجموعة البلاتين (غير PGM) يُضاهي أداؤه أداء التقنيات القائمة على البلاتين. لقد وضعت وزارة الطاقة الأمريكية معالم رئيسية لتطوير خلايا الوقود، مستهدفة متانة تصل إلى 5000 ساعة ونشاط حجمي لتفاعل اختزال الأكسجين (ORR) باستخدام محفزات غير من معادن مجموعة البلاتين (PGM) يبلغ 300 أمبير/ سم³ . [ 48 ]

تُعدّ المحفزات المعدنية/النيتروجينية/الكربونية (M/N/C) بدائل واعدة للمحفزات القائمة على البلاتين. ولتحقيق كثافة طاقة عالية، أو إنتاج طاقة على مساحة سطح الخلية، يجب أن يكون النشاط الحجمي 1/10 على الأقل من نشاط المحفزات القائمة على البلاتين، [ 46 ] إلى جانب خصائص نقل كتلة جيدة. ورغم أن المحفزات المعدنية/النيتروجينية/الكربونية لا تزال تُظهر نشاطًا حجميًا أقل من المحفزات القائمة على البلاتين، إلا أن انخفاض تكلفة هذه المحفزات يسمح بزيادة التحميل للتعويض. مع ذلك، فإن زيادة تحميل المحفزات المعدنية/النيتروجينية/الكربونية يؤدي أيضًا إلى زيادة سُمك الطبقة التحفيزية، مما يُضعف خصائص نقل الكتلة فيها. بعبارة أخرى، يواجه الهيدروجين والأكسجين والبروتونات والإلكترونات صعوبة أكبر في الهجرة عبر الطبقة التحفيزية، مما يُقلل من جهد خرج الخلية. بينما تؤدي المسامية الميكروية العالية للشبكة التحفيزية M/N/C إلى نشاط حجمي عالٍ، فإن تحسين خصائص نقل الكتلة يرتبط بالمسامية الماكروية للشبكة. تُصنّع هذه المواد M/N/C باستخدام التحلل الحراري عند درجات حرارة عالية ومعالجات أخرى عند درجات حرارة عالية لمواد أولية تحتوي على المعدن والنيتروجين والكربون. [ 49 ]

طوّر الباحثون مؤخرًا محفزًا من نوع Fe/N/C مشتقًا من أسيتات الحديد الثنائي (FeAc) والفينانثرولين (Phen) وإطار معدني عضوي (MOF). هذا الإطار المعدني العضوي هو إطار إيميدازولات زوليتي من الزنك الثنائي (ZIF) يُسمى ZIF-8، والذي يتميز بمساحة سطحية مسامية دقيقة عالية ومحتوى نيتروجين مرتفع، مما يُحسّن نشاط تفاعل اختزال الأكسجين (ORR). [ 46 ] وُجد أن كثافة الطاقة للمحفز FeAc/Phen/ZIF-8 تبلغ 0.75 واط/سم² عند 0.6 فولت. تُعد هذه القيمة تحسنًا ملحوظًا مقارنةً بكثافة الطاقة القصوى البالغة 0.37 واط/سم² للمحفزات M/N/C السابقة، وهي أقرب بكثير إلى القيمة النموذجية التي تتراوح بين 1.0 و1.2 واط/سم² للمحفزات القائمة على البلاتين مع حمولة بلاتين تبلغ 0.3  ملغ/ سم² . كما أظهر المحفز نشاطًا حجميًا قدره 230 أمبير · سم -3 ، وهي أعلى قيمة للمحفزات غير PGM حتى الآن، [ 46 ] مما يقترب من إنجاز وزارة الطاقة الأمريكية.

على الرغم من أن كثافة الطاقة التي حققها المحفز الجديد FeAc/Phen/ZIF-8 واعدة، إلا أن متانته لا تزال غير كافية للتطبيقات التجارية. فقد أشارت التقارير إلى أن أفضل متانة أظهرها هذا المحفز شهدت انخفاضًا بنسبة 15% في كثافة التيار على مدى 100 ساعة في خليط من الهيدروجين والهواء . [ 46 ] وبالتالي، فبينما تُنافس المحفزات غير القائمة على معادن مجموعة البلاتين القائمة على الحديد المحفزات القائمة على البلاتين في نشاطها التحفيزي الكهربائي، لا يزال هناك الكثير مما يجب القيام به لفهم آليات تدهورها وتحسين متانتها. [ 50 ] [ 51 ]

التطبيقات

يركز التطبيق الرئيسي لخلايا وقود PEM على قطاع النقل، وذلك بشكل أساسي نظرًا لتأثيرها المحتمل على البيئة، مثل التحكم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. تشمل التطبيقات الأخرى توليد الطاقة الموزعة/الثابتة والمحمولة. تعمل معظم شركات السيارات الكبرى حصريًا على خلايا وقود PEM نظرًا لكثافة طاقتها العالية وخصائصها الديناميكية الممتازة مقارنةً بأنواع خلايا الوقود الأخرى. [ 52 ] نظرًا لخفة وزنها، تُعد خلايا وقود PEM الأنسب لتطبيقات النقل. يمكن لخلايا وقود PEM المستخدمة في الحافلات، والتي تستخدم الهيدروجين المضغوط كوقود، أن تعمل بكفاءة تصل إلى 40%. عمومًا، تُستخدم خلايا وقود PEM في الحافلات أكثر من السيارات الصغيرة نظرًا للحجم المتاح لاستيعاب النظام وتخزين الوقود. تشمل التحديات التقنية في قطاع النقل دمج خلايا وقود PEM في تكنولوجيا المركبات الحالية وتحديث أنظمة الطاقة. لا تُعد مركبات خلايا الوقود الكاملة مفيدة إذا كان الهيدروجين مُستخرجًا من الوقود الأحفوري ؛ ومع ذلك، تصبح مفيدة عند استخدامها كمركبات هجينة. هناك إمكانية لاستخدام خلايا وقود PEM في توليد الطاقة الثابتة، حيث تُوفر 5  كيلوواط بكفاءة 30%. مع ذلك، تواجه خلايا الوقود الغشائية البروتونية منافسة من أنواع أخرى، لا سيما خلايا الوقود الصلبة (SOFCs) وخلايا الوقود الكربونية المنصهرة (MCFCs) . فبينما تتطلب خلايا الوقود الغشائية البروتونية عادةً هيدروجينًا عالي النقاء للتشغيل، يمكن لأنواع خلايا الوقود الأخرى العمل بالميثان، ما يجعلها أنظمة أكثر مرونة. لذا، تُعد خلايا الوقود الغشائية البروتونية الخيار الأمثل للأنظمة صغيرة الحجم إلى حين توفر الهيدروجين النقي بكميات اقتصادية. علاوة على ذلك، تتمتع خلايا الوقود الغشائية البروتونية بإمكانية استبدال البطاريات في الأجهزة الإلكترونية المحمولة، على الرغم من أن دمج نظام إمداد الهيدروجين يمثل تحديًا تقنيًا، خاصةً في ظل عدم وجود مكان مناسب لتخزينه داخل الجهاز. [ 53 ]

تاريخ

قبل اختراع خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (PEM)، كانت أنواع خلايا الوقود الموجودة آنذاك، مثل خلايا الوقود ذات الأكسيد الصلب، تُستخدم فقط في الظروف القاسية. كما كانت هذه الخلايا تتطلب مواد باهظة الثمن، وكان استخدامها مقتصراً على التطبيقات الثابتة نظراً لحجمها. وقد عالجت خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات هذه المشكلات. اخترع هذه الخلايا في أوائل الستينيات من القرن الماضي ويلارد توماس جروب وليونارد نيدراخ من شركة جنرال إلكتريك . [ 54 ] في البداية، استُخدمت أغشية البوليسترين المُسلفن للإلكتروليتات، ولكن تم استبدالها في عام 1966 بأيونومر نافيون ، الذي أثبت تفوقه في الأداء والمتانة على البوليسترين المُسلفن.

استُخدمت خلايا الوقود PEM في سلسلة مركبات الفضاء جيميني التابعة لناسا ، ولكن تم استبدالها بخلايا الوقود القلوية في برنامج أبولو ومكوك الفضاء . واصلت شركة جنرال إلكتريك العمل على خلايا PEM، وفي منتصف سبعينيات القرن الماضي طورت تقنية التحليل الكهربائي للماء باستخدام PEM لدعم الحياة تحت الماء، مما أدى إلى إنشاء محطة توليد الأكسجين التابعة للبحرية الأمريكية. اعتمدت البحرية الملكية البريطانية هذه التقنية في أوائل ثمانينيات القرن الماضي لأسطول غواصاتها. في أواخر ثمانينيات وأوائل تسعينيات القرن الماضي، أجرى مختبر لوس ألاموس الوطني وجامعة تكساس إيه آند إم تجارب على طرق لتقليل كمية البلاتين اللازمة لخلايا PEM. [ 55 ]

بالتوازي مع شركة برات آند ويتني للطائرات، طورت شركة جنرال إلكتريك أولى خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات (PEMFCs) لمهام جيميني الفضائية في أوائل الستينيات. وكانت مهمة جيميني 5 أول مهمة تستخدم خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات. ومع ذلك، استخدمت مهمات أبولو الفضائية، ومهمات أبولو-سويوز ، وسكايلاب، ومكوك الفضاء اللاحقة، خلايا وقود مبنية على تصميم بيكون، طورتها شركة برات آند ويتني للطائرات.

استُخدمت مواد باهظة الثمن للغاية، وتطلبت خلايا الوقود هيدروجينًا وأكسجينًا عاليي النقاء. كانت خلايا الوقود المبكرة تتطلب درجات حرارة تشغيل عالية بشكل غير ملائم، مما شكّل مشكلة في العديد من التطبيقات. ومع ذلك، اعتُبرت خلايا الوقود مرغوبة نظرًا لتوافر كميات كبيرة من الوقود (الهيدروجين والأكسجين).

على الرغم من نجاحها في برامج الفضاء، اقتصر استخدام أنظمة خلايا الوقود على مهمات الفضاء وتطبيقات خاصة أخرى، حيث كان بالإمكان تحمل التكلفة العالية. ولم تصبح خلايا الوقود خيارًا حقيقيًا لقاعدة تطبيقات أوسع إلا في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات. وقد ساهمت عدة ابتكارات محورية، مثل استخدام كميات قليلة من محفز البلاتين وأقطاب الأغشية الرقيقة، في خفض تكلفة خلايا الوقود، مما جعل تطوير أنظمة خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFC) أكثر واقعية. [ 56 ] ومع ذلك، لا يزال هناك جدل كبير حول ما إذا كانت خلايا وقود الهيدروجين ستكون تقنية واقعية للاستخدام في السيارات أو المركبات الأخرى . (انظر اقتصاد الهيدروجين ). ويُخصص جزء كبير من إنتاج خلايا الوقود الغشائية البروتونية (PEMFC) لسيارة تويوتا ميراي . وتقدر وزارة الطاقة الأمريكية سعرها في عام 2016 بنحو 53 دولارًا أمريكيًا/كيلوواط إذا تم إنتاج 500,000 وحدة سنويًا. [ 57 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ لويسيل، باتريشيا؛ بروكوبيوس، كيفن (أغسطس 2011). شركة تيليداين لأنظمة الطاقة، عضو في برنامج تبادل البروتونات (PEM)، محطة توليد طاقة نموذجية لخلايا الوقود. تقرير الاختبار: اختبارات معيارية أولية في الوضع الأصلي. خادم التقارير الفنية التابع لناسا (تقرير). hdl : 2060/20110014968 .
  2. ↑ ميلينغتون، بن؛ دو، شانغفنغ؛ بوليت، برونو ج. (2011). "تأثير المواد على أداء قطب خلية وقود غشاء تبادل البروتونات". مجلة مصادر الطاقة . 196 (21): 9013-9017 . Bibcode : 2011JPS...196.9013M . doi : 10.1016/j.jpowsour.2010.12.043 .
  3. ↑ براتش، ستيفن ج. (1989). "جهود الأقطاب الكهربائية القياسية ومعاملات درجة الحرارة في الماء عند 298.15 كلفن". مجلة البيانات المرجعية للكيمياء الفيزيائية . 18 (1): 1-21 . Bibcode : 1989JPCRD..18....1B . doi : 10.1063/1.555839 . S2CID 97185915 . 
  4. 1 2 ين، شي؛ لين، لينغ؛ تشونغ، هون تي؛ كوميني بابو، سيدهارث؛ مارتينيز، أوليسيس؛ بوردي، جيرالدين إم؛ زيلناي، بيوتر (4 أغسطس 2017). "تأثيرات تصنيع وحدة الغشاء الإلكترودي (MEA) وتركيب الأيونومر على أداء خلية الوقود باستخدام محفز اختزال الأكسجين الخالي من معادن مجموعة البلاتين" . معاملات الجمعية الكهروكيميائية . 77 (11): 1273-1281 . رمز Bibcode : 2017ECSTr..77k1273Y . doi : 10.1149/07711.1273ecst . OSTI 1463547 . 
  5. ↑ شالينباخ، ماكسيميليان؛ هوفنر، توبياس؛ باتشيوك، بول؛ كارمو، مارسيلو؛ لوك، فيبكه؛ ستولتن، ديتليف (28-10-2015). "نفاذية الغاز عبر نافيون. الجزء 1: القياسات". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 119 (45): 25145-25155 . doi : 10.1021/acs.jpcc.5b04155 .
  6. ↑ شالينباخ، ماكسيميليان؛ هوه، مايكل أ.؛ جوستيك، جيف ت.؛ لوك، ويبكي؛ ستولتن، ديتليف (14 أكتوبر 2015). "نفاذية الغاز عبر نافيون. الجزء 2: نموذج شبكة المقاومة". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 119 (45): 25156-25169 . doi : 10.1021/acs.jpcc.5b04157 .
  7. ↑ بريتويزر، ماتياس؛ كلينجيل، ماتياس؛ فيراث، سيفيرين؛ زينجيرل، رولاند؛ ثيل، سيمون (2018). "تخصيص واجهة الغشاء-القطب الكهربائي في خلايا وقود PEM: مراجعة ومنظور حول مناهج هندسية جديدة" . مواد الطاقة المتقدمة . 8 (4) 1701257. Bibcode : 2018AdEnM...801257B . doi : 10.1002/aenm.201701257 . ISSN 1614-6840 . 
  8. ^ داود، WRW؛ روسلي، ري؛ ماجلان، EH؛ حميد، الشعيبة؛ محمد، ر. الحسيني، ت. (2017-12-01). "التحكم في نظام خلايا الوقود PEM: مراجعة" . الطاقة المتجددة . 113 : 620– 638. بيب كود : 2017REne..113..620D . دوى : 10.1016/j.renene.2017.06.027 . ISSN 0960-1481 . 
  9. ↑ لو، يويكي؛ جياو، كوي (2018-01-01). "التشغيل البارد لخلية وقود غشاء تبادل البروتونات" . التقدم في علوم الطاقة والاحتراق . 64 : 29-61 . Bibcode : 2018PECS...64...29L . doi : 10.1016/j.pecs.2017.10.003 . ISSN 0360-1285 . 
  10. ↑ "خلية وقود أكسيد صلبة عالية الكثافة | بوابة T2" . technology.nasa.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 22-11-2022 .
  11. ↑ وانغ، واي؛ تشين، كيه إس (2013). خلايا وقود PEM: أساسيات إدارة الحرارة والماء . مومينتوم برس.
  12. 1 2 كوليتا، فيتور سي، وآخرون. "بيروفسكايت SrTiO3 المعدل بالنحاس لتحسين تحفيز تحويل الماء إلى غاز: دراسة تجريبية وحسابية مشتركة." ACS Applied Energy Materials (2021)، 4، 1، 452-461
  13. ↑ لي، جيه إس؛ وآخرون (2006). "أغشية البوليمر الإلكتروليتية لخلايا الوقود" (ملف PDF) . مجلة الكيمياء الصناعية والهندسية . 12 : 175-183 . doi : 10.1021/ie050498j . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 19 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 5 نوفمبر 2008 . 
  14. ↑ واينرايت، جيه إس (1995). "بولي بنزيميدازولات مُطعّمة بالحمض: إلكتروليت بوليمري جديد". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 142 (7): L121. Bibcode : 1995JElS..142L.121W . doi : 10.1149/1.2044337 .
  15. 1 2 3 [O'Hayre, Ryan P. Fuel Cell Fundamentals. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2006. Print.].
  16. ↑ جيانغشوي لو؛ جين هو؛ وولفغانغ ساك؛ روديغر بيكهاوس؛ غونتر ويتستوك؛ إيفو إف جيه فانكيليكوم؛ كارستن أغيرت؛ أولاف كونراد (2011). "سائل أيوني بروتوني ومصهورات أيونية مُحضّرة من حمض الميثان سلفونيك و1H-1,2,4-تريازول كإلكتروليتات لخلايا الوقود الغشائية البروتونية ذات درجة الحرارة العالية" . مجلة كيمياء المواد . 21 (28): 10426-10436 . doi : 10.1039/C0JM04306K .
  17. ↑ جيانغشوي لو؛ آنميت هـ. جنسن؛ نيل ر. بروكس؛ جيرون سنيكرز؛ مارتن كنيبر؛ ديفيد أيلي؛ تشينغفنغ لي؛ برام فانروي؛ مايكل ووبنهورست؛ فينغ يان؛ لوك فان ميرفيلت؛ تشيغانغ شاو؛ جيان هوا فانغ؛ تشنغ هونغ لو؛ ديرك إي. دي فوس؛ كوين بينمانز؛ جان فرانساير (2015). "1،2،4-تريازوليوم بيرفلوروبوتان سلفونات كإلكتروليت بلوري بلاستيكي عضوي بروتوني نقي نموذجي لخلايا الوقود الصلبة بالكامل". الطاقة والعلوم البيئية . 8 (4): 1276-1291 . Bibcode : 2015EnEnS...8.1276L . doi : 10.1039/C4EE02280G . S2CID 84176511 . 
  18. ↑ جيانغشوي لو؛ أولاف كونراد وإيفو إف جيه فانكيليكوم (2013). "ميثان سلفونات الإيميدازوليوم كموصل بروتوني عالي الحرارة" . مجلة كيمياء المواد أ . 1 (6): 2238-2247 . doi : 10.1039/C2TA00713D .
  19. ↑ ليتستر، س.؛ ماكلين، ج. (2004-05-03). "أقطاب خلايا وقود PEM". مجلة مصادر الطاقة . 130 ( 1-2 ): 61-76 . Bibcode : 2004JPS...130...61L . doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.12.055 .
  20. ↑ غاستايغر، هـ. أ.؛ بانلز، ج. إ.؛ يان، س. ج. (10 مارس 2004). "اعتماد أداء خلية وقود PEM على كمية المحفز". مجلة مصادر الطاقة . الأيام الكهروكيميائية الثامنة في أولمر. 127 ( 1-2 ): 162-171 . Bibcode : 2004JPS...127..162G . doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.09.013 .
  21. ↑ شالينباخ، ماكسيميليان؛ زيلجيت، مارسيل؛ ماير، فيبكه؛ ستولتن، ديتليف (29 يوليو 2015). "التيارات الطفيلية الناتجة عن اختلاف الموصلية الأيونية والإلكترونية في مصاعد خلايا الوقود". مجلة ACS للمواد والتطبيقات . 7 (29): 15746-15751 . Bibcode : 2015AAMI....715746S . doi : 10.1021/acsami.5b02182 . ISSN: 1944-8244 . PMID: 26154401 .  
  22. 1 2 ليتستر، س.؛ ماكلين، ج. (2004). "أقطاب خلايا وقود PEM". مجلة مصادر الطاقة . 130 ( 1-2 ): 61-76 . Bibcode : 2004JPS...130...61L . doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.12.055 .
  23. ↑ إسبينوزا، مايكن (2015). "تأثيرات الضغط على المسامية، والتواء الطور الغازي، ونفاذية الغاز في طبقة انتشار غاز PEM محاكاة" . المجلة الدولية لبحوث الطاقة . 39 (11): 1528-1536 . Bibcode : 2015IJER...39.1528E . doi : 10.1002/er.3348 . S2CID 93173199 . 
  24. ↑ لي، موتشنغ؛ لو، سوزين؛ تسنغ، تشاوليو؛ شين، جيانيان؛ لين، هايتشاو؛ كاو، تشونان (2004-06-01). "سلوك التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 316 المطلي بالتيتانيوم نيتريد في بيئات محاكاة لخلايا الوقود الغشائية البروتونية" . علم التآكل . 46 (6): 1369-1380 . Bibcode : 2004Corro..46.1369L . doi : 10.1016/S0010-938X(03)00187-2 . ISSN 0010-938X . 
  25. ↑ فيشنياكوف، ف.م. (2006-08-03). "خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات" . الفراغ . أزمة الطاقة العالمية: بعض الحلول القائمة على الفراغ. 80 (10): 1053-1065 . Bibcode : 2006Vacuu..80.1053V . doi : 10.1016/j.vacuum.2006.03.029 . ISSN 0042-207X . 
  26. ↑ توبير، ك.؛ أوديجارد، أ.؛ هيرمان، م.؛ هيبليغ، س. (14 مايو 2004). "دراسة حقول التدفق الكسورية في خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات المحمولة وخلايا وقود الميثانول المباشر" . مجلة مصادر الطاقة . أوراق مختارة قُدِّمت في ندوة غروف الثامنة لخلايا الوقود. 131 (1): 175-181 . Bibcode : 2004JPS...131..175T . doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.11.078 . ISSN 0378-7753 . 
  27. ↑ دوتا، سانديب؛ شيمبالي، سيريفاتش؛ فان زي، جيه دبليو (1 يونيو 2001). "التنبؤ العددي بتبادل الكتلة بين قنوات الكاثود والأنود في خلية وقود PEM" . المجلة الدولية لانتقال الحرارة والكتلة . 44 (11): 2029-2042 . Bibcode : 2001IJHMT..44.2029D . doi : 10.1016/S0017-9310(00)00257-X . ISSN 0017-9310 . 
  28. 1 2 راماسوامي، بادماني؛ وونغ، نورمان إي؛ شيميزو، جورج كيه إتش (2014). "الإطارات المعدنية العضوية كموصلات للبروتونات - التحديات والفرص". مجلة الجمعية الكيميائية ، 43 (16): 5913-5932 . doi : 10.1039/c4cs00093e . hdl : 1880/51527 . PMID 24733639 . 
  29. ↑ لي، شون لي؛ شو، تشيانغ (2013). "الأطر المعدنية العضوية كمنصات للطاقة النظيفة". الطاقة والعلوم البيئية . 6 (6): 1656. Bibcode : 2013EnEnS...6.1656L . doi : 10.1039/c3ee40507a .
  30. ↑ كيتاغاوا، هيروشي (2009). "الأطر المعدنية العضوية: نقلها إلى خلايا الوقود". مجلة نيتشر كيمستري . 1 (9): 689-690 . Bibcode : 2009NatCh...1..689K . doi : 10.1038/nchem.454 . PMID 21124353 . 
  31. ↑ لوكس، لاسي؛ ويليامز، كيا؛ ما، شينغكيان (2015). "المعالجة الحرارية للأطر المعدنية العضوية لتطبيقات الطاقة الخضراء". CrystEngComm . 17 (1): 10–22 . Bibcode : 2015CEG....17...10L . doi : 10.1039/c4ce01499e .
  32. ↑ "وزارة الطاقة تعلن عن تخصيص 39 مليون دولار لأبحاث وتطوير تقنيات الهيدروجين وخلايا الوقود المبتكرة" . 18 أبريل 2018. مؤرشف من الأصل بتاريخ 15 يونيو 2018.
  33. ↑ غاريك، تايلور ر.؛ مويلان، توماس إي.؛ كاربنتر، مايكل ك.؛ كونغكاناند، أنوسورن (13 ديسمبر 2016). "اختيار المحررين - قياس مساحة السطح النشطة كهروكيميائيًا لمحفزات سبائك البلاتين القديمة في خلايا وقود PEM عن طريق إزالة أول أكسيد الكربون" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 164 (2): F55– F59. doi : 10.1149/2.0381702jes . ISSN 0013-4651 . 
  34. ↑ برنامج الهيدروجين وخلايا الوقود وتقنيات البنية التحتية، خطة بحث وتطوير وعرض متعددة السنوات، مؤرشفة في 24-09-2015 في Wayback Machine ، وزارة الطاقة الأمريكية، أكتوبر 2007.
  35. ↑ ن. تيان؛ ز.-ي. تشو؛ س.-غ. صن؛ ي. دينغ؛ ز.ل. وانغ (2007). "تخليق بلورات نانوية من البلاتين رباعية السطوح ذات أوجه عالية المؤشر ونشاط أكسدة كهربائية عالٍ". مجلة ساينس . 316 (5825): 732-735 . Bibcode : 2007Sci...316..732T . doi : 10.1126/science.1140484 . PMID 17478717. S2CID 939992 .  
  36. ↑ في آر ستامينكوفيتش؛ بي فاولر؛ بي إس مون؛ جي وانغ؛ بي إن روس؛ سي إيه لوكاس؛ إن إم ماركوفيتش (2007). " تحسين نشاط اختزال الأكسجين على Pt3Ni(111) من خلال زيادة توافر مواقع السطح" . مجلة ساينس . 315 (5811): 493-497 . Bibcode : 2007Sci...315..493S . doi : 10.1126/science.1135941 . PMID 17218494. S2CID 39722200 .  
  37. ↑ كورايشي، بابار (2009). "تصنيع مجموعات أقطاب الغشاء لخلايا الوقود" (ملف PDF) . جامعة سنغافورة للتكنولوجيا والتصميم . ص 9. 
  38. ↑ إنجل، روب (8 أغسطس 2011). "تعظيم استخدام محفز البلاتين عن طريق تطبيق الرش بالموجات فوق الصوتية" (ملف PDF) . وقائع مؤتمر الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين الدولي الخامس حول استدامة الطاقة والمؤتمر التاسع لعلوم وهندسة وتكنولوجيا خلايا الوقود لعام 2011. رقم المرجع: FuelCell2011-54369. الصفحات: 637-644 . doi : 10.1115/FuelCell2011-54369 . ISBN   978-0-7918-5469-3تمت أرشفة النسخة الأصلية (PDF) بتاريخ 28-03-2014.
  39. ↑ شوكلا، س. (2015). "تحليل أقطاب خلايا الوقود ذات طبقة البوليمر الرقيقة المحملة بالبلاتين والمحضرة بتقنية الطباعة النفاثة للحبر". مجلة إلكتروكيميكا أكتا . 156 : 289-300 . doi : 10.1016/j.electacta.2015.01.028 .
  40. ↑ شوكلا، س. (2016). "تحليل أقطاب PEFC المطبوعة بتقنية نفث الحبر مع تحميلات بلاتينية متفاوتة" . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 163 (7): F677– F687. doi : 10.1149/2.1111607jes . S2CID 102257960 . 
  41. ↑ ساجار برابهوديف؛ ماثيو بوغنيت؛ كريستينا بوك؛ جيانلويجي بوتون (2013). "شبكة متوترة ذات ترتيب ذري مستمر في محفزات نانوية ذات بنية أساسية-غلافية من Pt3Fe2 بين الفلزية" . ACS Nano . 7 (7): 6103-6110 . Bibcode : 2013ACSNa...7.6103P . doi : 10.1021/nn4019009 . PMID 23773037 . 
  42. ↑ مينا كاو، دونغشوانغ وو، ورونغ كاو (2014). "التطورات الحديثة في تثبيت المحفزات الكهربائية البلاتينية لتفاعلات خلايا الوقود". ChemCatChem . 6 (1): 26-45 . doi : 10.1002/cctc.201300647 . S2CID 97620646 . 
  43. ↑ جي. هوجرز (2003). دليل تكنولوجيا خلايا الوقود . بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. الصفحات 6-3 . ISBN  978-0-8493-0877-2.
  44. ↑ سي. وانغ؛ إتش. دايمون؛ تي. أونوديرا؛ تي. كودا؛ إس. صن (2008). "نهج عام للتحكم في حجم وشكل جسيمات البلاتين النانوية واختزالها التحفيزي للأكسجين". Angewandte Chemie . 47 (19): 3588–3591 . doi : 10.1002/anie.200800073 . PMID 18399516 . 
  45. ↑ س. ألايوغلو؛ أ. يو. نايلكار؛ م. مافريكاكيس؛ ب. إيشهورن (2008). "جسيمات نانوية ذات بنية أساسية-غلافية من الروثينيوم والبلاتين للأكسدة التفضيلية لأول أكسيد الكربون في الهيدروجين". مجلة نيتشر ماتيريالز . 7 (4): 333-338 . Bibcode : 2008NatMa...7..333A . doi : 10.1038/nmat2156 . PMID 18345004. S2CID 17600075 .  
  46. 1 2 3 4 5 إي. برويتي، إف. جاون، إم. لوفيفر، إن. لاروش، جيه. تيان، جيه. هيرانز، وجيه-بي. دوديليه. 2011 محفز كاثودي قائم على الحديد ذو كثافة طاقة محسنة في خلايا وقود غشاء البوليمر الإلكتروليتي" Nature Communications 2(1)،
  47. ↑ ليتستر، س.؛ ماكلين، ج. (2004). "أقطاب خلايا الوقود PEM". مجلة مصادر الطاقة . 130 ( 1-2 ): 61-76 . Bibcode : 2004JPS...130...61L . doi : 10.1016/j.jpowsour.2003.12.055 .
  48. ↑ واي. وانغ؛ دانييلا فرناندو رويز دياز؛ كين إس. تشين؛ تشي وانغ؛ خافيير كوردوبيس أدروهير (يناير-فبراير 2020). "المواد، والوضع التكنولوجي، وأساسيات خلايا وقود PEM - مراجعة" (ملف PDF) . مجلة Materials Today . 32 : 178-203 . doi : 10.1016/j.mattod.2019.06.005 . S2CID 201288395 . 
  49. ↑ سيروف، أ.؛ أرتيوشكوفا، ك.؛ أتاناسوف، ب. (2014). "محفز خلية وقود اختزال الأكسجين Fe-NC المشتق من الكاربندازيم: التركيب، والبنية، والتفاعلية". مواد الطاقة المتقدمة . 4 (10) 1301735. Bibcode : 2014AdEnM...401735S . doi : 10.1002/aenm.201301735 . S2CID 97667736 . 
  50. ↑ ين، شي؛ زيلناي، بيوتر (13 يوليو 2018). "نماذج حركية لآليات تدهور محفزات تفاعل اختزال الأكسجين الخالية من معادن مجموعة البلاتين" . معاملات الجمعية الكهروكيميائية . 85 (13): 1239-1250 . doi : 10.1149/08513.1239ecst . OSTI 1471365. S2CID 103125742 .  
  51. ↑ مارتينيز، أوليسيس؛ بابو، سيدهارث كوميني؛ هولبي، إدوارد ف.؛ زيلناي، بيوتر (أبريل 2018). "تحديات المتانة وآفاق تطوير المحفزات الكهربائية الخالية من معادن مجموعة البلاتين لتفاعل اختزال الأكسجين" . الرأي الحالي في الكيمياء الكهربائية . 9 : 224-232 . doi : 10.1016/j.coelec.2018.04.010 . OSTI 1459825 . 
  52. ↑Y. Wang, Ken S. Chen, Jeffrey Mishler, Sung Chan Cho, Xavier Cordobes Adroher, A Review of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells: Technology, Applications, and Needs on Fundamental Research, Applied Energy 88 (2011) 981-1007.
  53. ↑ [ وي، جونغ-هو. "تطبيقات أنظمة خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات." مراجعات الطاقة المتجددة والمستدامة 11.8 (2007): 1720-738. على الإنترنت.]
  54. ↑ خلايا وقود PEM . Americanhistory.si.edu. تم الاطلاع عليه بتاريخ 19-04-2013.
  55. ↑ "تجميع تاريخ خلايا الوقود ذات غشاء تبادل البروتونات" . americanhistory.si.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 يناير 2022 .
  56. ↑ إيبرلي، أولريش؛ مولر، بيرند؛ فون هيلمولت، ريتمار (15 يوليو 2012). "المركبات الكهربائية التي تعمل بخلايا الوقود والبنية التحتية للهيدروجين: الوضع الحالي لعام 2012" . الجمعية الملكية للكيمياء . تاريخ الاسترجاع: 8 يناير 2013 .
  57. ↑ كليبنستين، ماثيو (24 أبريل 2017). "هل حماس تويوتا لخلايا وقود الهيدروجين حماقة أم رؤية ثاقبة؟ (مع رسوم بيانية)" . تم الاطلاع عليه في 13 مايو 2017. مثّلت مبيعات تويوتا من سيارات ميراي، التي بلغت حوالي 2000 سيارة في عام 2016 ، أكثر من ثلاثة أضعاف إنتاجية خلايا وقود PEMFC عالميًا في عام 2014.