เซลล์เชื้อเพลิงแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFCs) เป็นเทคโนโลยีพลังงานที่ยั่งยืนและมีประสิทธิภาพสูง ชุดประกอบอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักกำหนดสมรรถนะโดยรวมของแบตเตอรี่ ในขณะที่เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) มีบทบาทสำคัญในการนำโปรตอน การแยกแก๊ส และประสิทธิภาพ ปัจจุบันการผลิต PEM ส่วนใหญ่ใช้วิธีการหล่อแบบสารละลาย ซึ่งมีปัญหาเรื่องความหนาแน่นไม่เท่ากันและการควบคุมโครงสร้างขนาดเล็กได้ยาก แม้ว่าจะมีการสำรวจเทคนิคการปรับแต่งโพลิเมอร์ แต่สมรรถนะและความเสถียรในระยะยาวในการประยุกต์ใช้งานจริงยังต้องการการปรับปรุง เซลล์เชื้อเพลิงแลกเปลี่ยนโปรตอนอุณหภูมิสูง (HT-PEMFCs) ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูง (120°–200°C) มีข้อดีเช่น ไม่จำเป็นต้องจัดการน้ำอย่างซับซ้อน ทนทานต่อเชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่ไม่บริสุทธิ์ และสามารถรวมความร้อนเหลือใช้ ทำให้เป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานพลังงาน อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญของการใช้กรดฟอสฟอริก (PA) ใน PEM คือการหลุดลอกของ PA ซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพของชั้นแคตาลิสต์และลดประสิทธิภาพ
เมื่อเร็ว ๆ นี้ ทีมจากมหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอนพัฒนาระบบเมมเบรนนาโนไฟเบอร์ที่มีการเสริมโครงสร้างและพื้นผิวอย่างร่วมมือ ผลงานของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ใน Science Advances (IF=12.5, อ้างอิง: Sci. Adv. 11, eadw5747 (2025)) ภายใต้ชื่อ “เมมเบรนนาโนไฟเบอร์เพื่อเพิ่มสมรรถนะและการปรับปรุงเซลล์เชื้อเพลิงแลกเปลี่ยนโปรตอน” ผ่านการปรับโครงสร้างนาโนไฟเบอร์และการวิศวกรรมพื้นผิว ทีมสามารถบาลานซ์การนำโปรตอน ความแข็งแรงเชิงกล และสมรรถนะทางอิเล็กโตรเคมีในเมมเบรน ที่น่าสนใจ เมมเบรนนาโนไฟเบอร์โครงสร้างแซนด์วิช (SSNFM) แสดงสมรรถนะที่ยอดเยี่ยม โดยได้ความหนาแน่นกำลังสูงสุด 942 mW cm⁻² หลังจากการทดสอบความเครียดเร่ง 100 ชั่วโมง ซึ่งสูงกว่า 520 mW cm⁻² ของเมมเบรนพาณิชย์ทั่วไป การวิเคราะห์อิเล็กโตรเคมีเผยให้เห็นการนำโปรตอน 40.4 mS cm⁻¹ สูงกว่า 17.5 mS cm⁻¹ ของเมมเบรนพาณิชย์
การศึกษานี้ใช้วิธีการวิเคราะห์หลายระดับ รวมถึงการถ่ายภาพด้วยเอกซ์เรย์คอมพิวเตอร์โทโมกราฟีและการจำลองหลายเฟส เพื่อเปิดเผยว่าเมมเบรนนาโนไฟเบอร์ช่วยปรับปรุงสมรรถนะของเมมเบรน ความเสถียรของชั้นแคตาลิสต์ และการก่อตัวของขอบเขตสามเฟส ทำให้การขนส่งประจุและมวลมีประสิทธิภาพทีมยังได้ทำการประเมินทางเคมีไฟฟ้า้าของพื้นผิวที่ปรับเปลี่ยนของ PBI NFM แบบพรุนและ MEA ของ SSNFM (ที่ 160°C แอโนด: H₂ 100 มล. นาที⁻¹ แคโทด: O₂ 100 มล. นาที⁻¹) ซึ่งแสดงผลการทำงานที่ยอดเยี่ยมในแง่ของความแปรผันของแรงดันวงจรเปิด (OCV) เส้นโพลาไรเซชัน และความเสถียรในการทดสอบความเครียดแบบเร่ง (AST) กลยุทธ์การออกแบบเมมเบรนที่เสนอในการวิจัยนี้ให้แนวทางสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์เชื้อเพลิงในการประยุกต์ใช้พลังงานยั่งยืน
