การวิเคราะห์เทคโนโลยีกระดาษคาร์บอนแบบชั้นการแพร่กระจายก๊าซของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน

โดยพื้นฐานแล้วเซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ไม่จำเป็นต้องชาร์จเพิ่ม ตราบใดที่มีการเติมเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์อย่างต่อเนื่อง เซลล์เชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์จะยังคงทำงานและสร้างไฟฟ้าได้ เชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์เสริมจะไม่เกิดปฏิกิริยาการเผาไหม้ แต่เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีระหว่างเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า

ดังนั้นปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าดังกล่าวจึงมาพร้อมกับการถ่ายโอนประจุเนื่องจากปฏิกิริยาเคมี อิเล็กตรอนและไอออนจะถ่ายโอนประจุผ่านเส้นทางปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ในระหว่างกระบวนการปฏิกิริยาของเซลล์เชื้อเพลิง เชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ไม่สามารถผสมกันได้ แต่จะเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิงแยกกัน และทำปฏิกิริยาแยกกันที่ขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่

เชื้อเพลิงจะสร้างอิเล็กตรอนหลังจากเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี อิเล็กตรอนจะไหลไปยังอิเล็กโทรดอีกตัวผ่านอิเล็กโทรดและวงจรภายนอกเพื่อทำปฏิกิริยากับสารออกซิแดนท์ หลังจากที่สารออกซิแดนท์รับอิเล็กตรอนแล้ว ก็จะทำปฏิกิริยาและนำไอออนผ่านอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ ทำให้เกิดวงจรสำหรับการทำงานของอิเล็กตรอน

หน่วยแกนหลักของเซลล์เชื้อเพลิงทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบพื้นฐานสามส่วน ได้แก่ ขั้วบวก ขั้วลบ และอิเล็กโทรไลต์ระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง โดยทั่วไป ไฮโดรเจนจะถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงและออกซิเจนจะถูกใช้เป็นตัวออกซิไดซ์ เชื้อเพลิงจะถูกออกซิไดซ์ที่ขั้วบวก และออกซิเจนจะถูกรีดิวซ์ที่ขั้วลบ เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยหน่วยแกนดังกล่าวที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อสร้างชุดแบตเตอรี่ที่มีกำลังไฟฟ้ามากขึ้น หรือที่เรียกว่าชุดแบตเตอรี่

โดยทั่วไปแล้วสารออกซิไดเซอร์อาจเป็นออกซิเจนในอากาศ และไอออนไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงมาจากขั้วบวก และอิเล็กโทรไลต์ทำหน้าที่นำไอออนไฮโดรเจน หลังจากไอออนไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นที่ขั้วบวกแล้ว ไอออนเหล่านี้จะไปถึงขั้วลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ หลังจากอิเล็กตรอนถูกผลิตขึ้นที่ขั้วบวกแล้ว อิเล็กตรอนจะเข้าสู่อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ผ่านวงจรภายนอกแบตเตอรี่ จากนั้นจึงกลับไปที่ขั้วลบของแบตเตอรี่ผ่านปลายอีกด้านหนึ่งของวงจรไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนไหลผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มีโหลด อุปกรณ์ไฟฟ้าก็จะสามารถทำงานได้ เช่น การผลิตไฟฟ้า รถยนต์ เครื่องบิน และการทำงานของมอเตอร์

ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบจะมีอิเล็กโทรไลต์ที่สามารถใช้นำไอออนได้ โดยทั่วไปเซลล์เชื้อเพลิงสามารถจำแนกได้เป็นเซลล์เชื้อเพลิงอัลคาไล เซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริก เซลล์เชื้อเพลิงเกลือหลอมเหลวคาร์บอเนต เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน และเซลล์เชื้อเพลิงโดยตรง เนื่องมาจากไอออนต่างชนิดกันที่นำไฟฟ้าในอิเล็กโทรไลต์หรืออุณหภูมิการทำงานที่แตกต่างกัน มี 6 ประเภท ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอล

อัตราการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีของเชื้อเพลิงและสารออกซิไดเซอร์ในเซลล์เชื้อเพลิงต่ำมากและต้องได้รับการเร่งด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นจึงต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วบวกและขั้วลบ ยกตัวอย่างเช่น เซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์ กลไกการสร้างพลังงานหลักมาจากชุดอิเล็กโทรดเมมเบรน (MEA) ซึ่งมักเรียกกันว่าหัวใจของเซลล์เชื้อเพลิง โดยพื้นฐานแล้ว กลุ่มเมมเบรนอิเล็กโทรดมีโครงสร้าง 5 ชั้น โดยมีเมมเบรนโพลิเมอร์ที่นำไอออนไฮโดรเจนอยู่ตรงกลาง ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วบวกและชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาขั้วลบอยู่ทั้งสองด้าน และชั้นการแพร่กระจายก๊าซที่อยู่ด้านนอกสุด (มักแบ่งเป็นชั้นการแพร่กระจายก๊าซเชื้อเพลิงและชั้นการแพร่กระจายออกซิเจน)

โครงสร้างของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาค่อนข้างซับซ้อนและหลากหลาย เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทางเคมีไฟฟ้าที่สำคัญที่สุดเกิดขึ้นที่นี่ หากชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาได้รับการออกแบบหรือผลิตอย่างไม่ดี เซลล์เชื้อเพลิงจะไม่สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เพียงพอและประสิทธิภาพจะลดลง ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ระหว่างเมมเบรนโพลิเมอร์และชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ วิธีการผลิตคือผสมตัวเร่งปฏิกิริยาและสารละลายของเมมเบรนโพลิเมอร์ในปริมาณที่เหมาะสมอย่างสม่ำเสมอ สารละลายผสมนี้เรียกว่าสารละลายตัวเร่งปฏิกิริยา สารละลายผสมสามารถเคลือบบนเลเยอร์การแพร่กระจายของก๊าซหรือบนเมมเบรนโพลิเมอร์ได้ อย่างไรก็ตาม เมมเบรนโพลิเมอร์จะดูดซับตัวทำละลายในสารละลายผสมได้ง่ายและเสียรูป ซึ่งมักทำให้เกิดปัญหาในการผลิต

ตอนนี้ใช้ชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเจนเพื่อแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างไร เมื่อออกซิเจนเข้าสู่เซลล์เชื้อเพลิง จะต้องกระจายออกซิเจนก่อนเพื่อให้ถึงชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอ โดยทั่วไป วัสดุที่ประกอบเป็นชั้นการแพร่กระจายก๊าซคือผ้าคาร์บอนหรือกระดาษคาร์บอน ซึ่งจะต้องผ่านกระบวนการกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูงเพื่อให้เป็นสื่อไฟฟ้าและเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน เนื่องจากวัสดุคาร์บอนกัดกร่อนได้ง่ายภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า

นอกจากนี้ ชั้นการแพร่กระจายของก๊าซจะต้องมีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำด้วย หากเติมโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE หรือที่เรียกอีกอย่างว่าเทฟลอน) ลงในชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ เนื่องจากคุณสมบัติไม่ชอบน้ำของเทฟลอน ไอน้ำที่เข้าและออกจากกลุ่มเมมเบรนของอิเล็กโทรดจะไม่ การควบแน่นในชั้นการแพร่กระจายของก๊าซสามารถป้องกันไม่ให้หยดน้ำที่ควบแน่นก่อให้เกิดการอุดตันของชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ ในทางกลับกัน เทฟลอนยังทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะด้วย เนื่องจากโครงสร้างฟลูออโรคาร์บอนมีความเสถียร จึงจะไม่ถูกแยกส่วนเนื่องจากการโจมตีของอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นภายใต้การทำงานศักย์

ก๊าซปฏิกิริยาจะไปถึงชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาหลังจากผ่านชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ และเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีบนพื้นผิวของโลหะตัวเร่งปฏิกิริยา หน้าที่อีกอย่างหนึ่งของชั้นการแพร่กระจายของก๊าซคือการนำอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาใช้ชั้นการแพร่กระจายของก๊าซเพื่อเข้าและออก ดังนั้นชั้นการแพร่กระจายของก๊าซจะต้องสามารถนำอิเล็กตรอนได้และมีสภาพนำไฟฟ้าสูง โดยทั่วไป หลังจากเติมเทฟลอนลงในชั้นการแพร่กระจายของก๊าซ สภาพนำไฟฟ้าจะลดลง ดังนั้นควรเติมผงคาร์บอนที่มีสภาพนำไฟฟ้าสูงเพื่อเพิ่มสภาพนำไฟฟ้า

พื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาจะต้องสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ (เช่น เมมเบรนตัวนำโปรตอน) เนื่องจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีเกิดขึ้นที่อินเทอร์เฟซระหว่างทั้งสอง ไอออนไฮโดรเจนที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาทั้งหมดจะถูกถ่ายโอนโดยอิเล็กโทรไลต์ ดังนั้น การสัมผัสที่ไม่ดีระหว่างตัวเร่งปฏิกิริยาและอิเล็กโทรไลต์จะส่งผลเสียต่อความคืบหน้าของปฏิกิริยา หากตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ได้สัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ การทำงานของอิเล็กโทรไลต์จะหายไป อิเล็กตรอนที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาทั้งหมดเข้าและออกผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม การนำไฟฟ้าที่ไม่ดีของตัวเร่งปฏิกิริยาเองหรือการสัมผัสที่ไม่ดีระหว่างอนุภาคตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้เกิดความต้านทานต่อการเข้าและออกของอิเล็กตรอนด้วย ปัจจัยข้างต้นทั้งหมดทำให้ความต้านทานภายในกลุ่มเมมเบรนอิเล็กโทรดเพิ่มขึ้นและลดกำลังไฟฟ้าที่ส่งออกของแบตเตอรี่

เมื่อใช้ในเซลล์เชื้อเพลิง ตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรดมักจะต้องมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาสูง มีสภาพนำไฟฟ้าสูง มีเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้าสูง ทนต่อการออกซิเดชันหรือการรีดักชัน ราคาต่ำ และมีแหล่งพลังงานมากมาย แพลตตินัมมีราคาแพงและควรใช้ให้น้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม หากใช้น้อยเกินไปก็จะส่งผลต่อความคืบหน้าของปฏิกิริยา วัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาทางเลือกก็เป็นหนึ่งในจุดสนใจของการวิจัยและการพัฒนาในปัจจุบัน ตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรดเป็นวัสดุที่มีฟังก์ชันการทำงานที่สำคัญที่สุดในโครงสร้างเมมเบรนของอิเล็กโทรด และหน้าที่หลักคือเร่งปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า

ที่ขั้วบวก โมเลกุลไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์เป็นอิเล็กตรอนและโปรตอน หากป้อนเมทานอลโดยตรง ปฏิกิริยาจะซับซ้อนมากขึ้น และจะต้องประกอบด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรดที่จะไม่ถูกผลิตภัณฑ์ที่ถูกดูดซับอย่างแรงจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของเมทานอลบนพื้นผิวปฏิกิริยา เช่น โลหะผสมและออกไซด์ เพื่อเร่งปฏิกิริยาเมทานอลและโมเลกุลน้ำอย่างต่อเนื่องเพื่อผลิตอิเล็กตรอน โปรตอน และคาร์บอนไดออกไซด์

แคโทดต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถลดออกซิเจนได้ คอมเพล็กซ์โลหะแบบวงแหวนขนาดใหญ่ที่สามารถดูดซับโมเลกุลออกซิเจนได้มักใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอิเล็กโทรด การดูดซับโมเลกุลออกซิเจนบนพื้นผิวเป็นเงื่อนไขตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีการลดออกซิเจน ตัวเร่งปฏิกิริยาต้องการสารยึดเกาะโพลีเมอร์ที่จะเชื่อมติดในชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา สารยึดเกาะนี้อาจเป็นอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ซึ่งไม่เพียงแต่มีหน้าที่เชื่อมติดตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้น แต่ยังเป็นวิธีการขนส่งไอออนไฮโดรเจนอีกด้วย หากใช้แคโทดออกซิเจนเป็นตัวอย่าง เมื่อปฏิกิริยาดำเนินไปบนพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยา จำเป็นต้องมีออกซิเจน ออกซิเจนนี้ไม่ใช่ก๊าซ แต่เป็นออกซิเจนที่ละลายอยู่ในอิเล็กโทรไลต์ และไอออนไฮโดรเจนยังไปถึงพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาผ่านอิเล็กโทรไลต์ และอิเล็กตรอนไปถึงพื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาผ่านการสัมผัสระหว่างชั้นการแพร่กระจายของก๊าซและชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ ออกซิเจนที่ละลายอยู่ ไอออนไฮโดรเจน และอิเล็กตรอนเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ และปฏิกิริยาไม่สามารถดำเนินต่อไปได้หากไม่มีสิ่งใดสิ่งหนึ่ง

ในทางกลับกัน น้ำที่เกิดจากปฏิกิริยาไม่สามารถคงอยู่บนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาได้ น้ำที่เกิดขึ้นจะต้องถูกกำจัดออกทันทีเพื่อให้มีพื้นที่สำหรับให้สารตั้งต้นตกตะกอนบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยาอีกครั้ง การหลุดออกของผลิตภัณฑ์ยังเป็นปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลต่อความเร็วของปฏิกิริยา หนึ่ง ผลิตภัณฑ์ของเซลล์เชื้อเพลิงคือน้ำ ดังนั้น วิธีกำจัดน้ำออกจากเซลล์เชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วจึงเป็นประเด็นสำคัญ

สำหรับเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์ที่ใช้ไฮโดรเจนเป็นอาหาร การทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงที่ดีต้องมีช่องทาง 4 ทาง ได้แก่ ช่องไอออนไฮโดรเจน ช่องออกซิเจนที่ละลายน้ำ ช่องอิเล็กตรอน และช่องน้ำ หากช่องทางเหล่านี้ไม่มีประสิทธิภาพ จะส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าลดลง ดังนั้น การผลิตชุดเมมเบรนอิเล็กโทรดจึงยังคงเป็นกระบวนการทางเทคนิค ผู้ผลิตชุดเซลล์เชื้อเพลิงแต่ละรายมีวิธีการผลิตเฉพาะของตนเองเพื่อผลิตส่วนประกอบสำคัญนี้

กำลังของเซลล์เชื้อเพลิงนั้นถูกกำหนดโดยขนาดของกลุ่มเมมเบรนอิเล็กโทรดและจำนวนของกลุ่มเมมเบรนอิเล็กโทรดในชุดแบตเตอรี่ สแต็กเมมเบรนอิเล็กโทรดเป็นหน่วยหลักของเซลล์เชื้อเพลิงอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์และเป็นส่วนประกอบสำคัญของประสิทธิภาพด้านกำลังของเซลล์เชื้อเพลิงสแต็ก ด้วยการออกแบบสนามการไหล การจัดการน้ำ และสภาวะการทำงานการจัดการความร้อนที่เหมาะสม จึงสามารถสร้างเซลล์เชื้อเพลิงสำหรับวัตถุประสงค์ต่างๆ ได้

วัสดุฐานของโครงสร้างชั้นแพร่กระจายก๊าซของเซลล์เชื้อเพลิงแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนมักเป็นผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon-Fiber) เช่น กระดาษคาร์บอน (Carbon Paper) และเส้นใยทอ (Woven Fiber) หรือที่เรียกว่าผ้าคาร์บอน (Carbon Cloths) โดยใช้คาร์บอนไฟเบอร์เป็นก๊าซ ข้อได้เปรียบของวัสดุชั้นแพร่กระจายคือโครงสร้างที่มีรูพรุนสูงและสภาพการนำไฟฟ้าสูง

โครงสร้างชั้นการแพร่กระจายก๊าซของเซลล์เชื้อเพลิงที่ใช้กันทั่วไปที่สุดคือกระดาษคาร์บอนไฟเบอร์ กระบวนการนี้มักเรียกว่ากระบวนการผลิตกระดาษ ในระหว่างกระบวนการ คุณสมบัติของวัตถุดิบ การนำไฟฟ้า และความเสถียรทางเคมีของกระดาษคาร์บอนจะต้องได้รับการปรับปรุงด้วย วิธีการคือใช้กระดาษคาร์บอนไฟเบอร์เป็นพื้นฐาน เติมวัสดุคอมโพสิตคาร์บอน ผสม และอบด้วยความร้อน ในกระบวนการนี้ สามารถเพิ่มวัตถุดิบกลางที่เหมาะสมได้ และสามารถพัฒนากระดาษคาร์บอนชนิดเดียวกันนี้ด้วยคุณลักษณะที่ใช้

ก่อนเข้าสู่ขั้นตอนการผลิตกระดาษคาร์บอน เส้นใยต่อเนื่องจะต้องถูกตัดเป็นเส้นสั้นขนาด 3~12 มม. กระบวนการหลังจากการขึ้นรูปเส้นสั้นแบ่งออกเป็น 1. การผลิตกระดาษ 2. การชุบด้วยเรซินคอมโพสิต 3. การขึ้นรูปด้วยความร้อน 4. การบำบัดด้วยคาร์บอน และ 5. การบำบัดด้วยกราไฟต์

ผู้ผลิตกระดาษคาร์บอนที่สามารถนำมาใช้ในชั้นการแพร่กระจายก๊าซของเซลล์เชื้อเพลิงในปัจจุบัน ได้แก่ TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy และบริษัทอื่นๆ วิธีการผลิตทั่วไปของชั้นไมโครพรอส (MPL) คือการใช้เครื่องกำเนิดสัญญาณอัลตราโซนิกในการผสมและกวนส่วนประกอบเหล่านี้ก่อน จากนั้นจึงทำสารละลายเหลว (หมึก) จากนั้นจึงใช้เทคโนโลยีการเคลือบ (เช่น วิธีการพ่น วิธีใบมีดปาด) วิธีการพิมพ์สกรีน สารละลายจะถูกเคลือบบนพื้นผิวของกระดาษคาร์บอน จากนั้นจึงสามารถได้ชั้นไมโครพรอสโดยการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง ผู้ผลิตกระดาษคาร์บอนยังจัดหาผลิตภัณฑ์ที่สมบูรณ์ที่เคลือบด้วยชั้นไมโครพรอสให้กับลูกค้าอีกด้วย ชั้นการแพร่กระจายก๊าซ (GDL) มีบทบาทและหน้าที่มากมายในเซลล์เชื้อเพลิง เช่น:

(1) จัดให้มีช่องปฏิกิริยาแก๊ส (H2, O2)

(2) จัดให้มีช่องทางให้ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา (น้ำ ความร้อน) ออกจากชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา

(3) จัดให้มีช่องทางเข้าและทางออกสำหรับอิเล็กตรอนที่เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

(4) ทำหน้าที่เป็นตัวรองรับโครงสร้างสำหรับชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน

จากลักษณะเฉพาะข้างต้นจะเห็นได้ว่าชั้นการแพร่กระจายก๊าซ (GDL) ต้องมีคุณสมบัติ เช่น การนำไฟฟ้า การนำความร้อน ความพรุน การซึมผ่านของอากาศ และคุณสมบัติชอบน้ำ/ไม่ชอบน้ำในเวลาเดียวกัน ปัจจุบันซัพพลายเออร์วัสดุสำหรับชั้นการแพร่กระจายก๊าซของเซลล์เชื้อเพลิงในโลกมีเพียง Toray, Ballard, Avcarb, SGL และ Taiwan Carbon Energy เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ราคาต่อหน่วยสูงมากและมักมีความต้องการไม่เพียงพอ ดังนั้น หากมีเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ก็สามารถลดต้นทุนและให้ผลลัพธ์ทางเศรษฐกิจได้ การผลิตวัสดุสำคัญนี้ในปริมาณมากจึงคุ้มค่าต่อการลงทุนในเทคโนโลยีนี้

ชั้นการแพร่กระจายของก๊าซเป็นองค์ประกอบหลักของ PEMFC และชั้นการแพร่กระจายของก๊าซเป็นวัสดุองค์ประกอบที่สำคัญของอิเล็กโทรด วัสดุชั้นการแพร่กระจายของก๊าซที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ กระดาษคาร์บอนไฟเบอร์ ผ้าทอคาร์บอนไฟเบอร์ ผ้าไม่ทอ และกระดาษคาร์บอนแบล็ก แต่บางส่วนยังใช้วัสดุโลหะ เช่น โลหะแบน ฟองน้ำ ตาข่าย โลหะนิกเกิล

กระดาษคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุชั้นกระจายก๊าซที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอิเล็กโทรด เพื่อใช้ใน PEMFC จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพต่อไปนี้:

(1) โครงสร้างที่มีรูพรุนสม่ำเสมอทำให้ระบายอากาศได้ดีเยี่ยม

(2) ความต้านทานต่ำ ทำให้มีการนำไฟฟ้าสูง

(3) โครงสร้างมีขนาดกะทัดรัดและพื้นผิวเรียบ ช่วยลดความต้านทานการสัมผัสและปรับปรุงประสิทธิภาพการนำไฟฟ้า

(4) มีความแข็งแรงทางกลในระดับหนึ่ง ซึ่งสะดวกต่อการผลิตอิเล็กโทรด และช่วยให้โครงสร้างอิเล็กโทรดมีเสถียรภาพภายใต้สภาวะการทำงานในระยะยาว

(5) มีเสถียรภาพทางเคมีและเสถียรภาพทางความร้อน ต้นทุนการผลิตต่ำ และค่า CP สูง

ดูเพิ่มเติม