Technologia przygotowywania membrany i elektrody metodą natrysku ultradźwiękowego

Elektroda membranowa jest kluczowym komponentem ogniw paliwowych, który integruje transport i reakcje elektrochemiczne materiałów heterogenicznych, bezpośrednio determinując wydajność, żywotność i koszt ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów. Elektroda membranowa i płyty bipolarne po obu stronach razem tworzą pojedyncze ogniwo paliwowe, a połączenie wielu pojedynczych ogniw może utworzyć stos ogniw paliwowych, aby spełnić różne wymagania dotyczące mocy wyjściowej. Projektowanie i optymalizacja struktury MEA, dobór materiałów i optymalizacja procesu produkcyjnego zawsze były w centrum badań nad PEMFC. W procesie rozwoju PEMFC technologia elektrod membranowych przeszła kilka generacji innowacji, podzielonych głównie na trzy typy: metoda prasowania na gorąco GDE, trójwarstwowa elektroda membranowa CCM i uporządkowana elektroda membranowa.

1. Elektroda foliowa prasowana na gorąco GDE

Pierwsza generacja technologii przygotowywania MEA wykorzystywała metodę prasowania na gorąco do kompresji katody i anody GDL pokrytych CL po obu stronach PEM w celu uzyskania MEA, znanej jako struktura "GDE".

Proces przygotowania MEA typu GDE jest rzeczywiście stosunkowo prosty, dzięki jednolitemu pokryciu katalizatorem na GDL. Ta konstrukcja nie tylko ułatwia tworzenie porów w MEA, ale także sprytnie chroni PEM przed deformacją. Jednak proces ten nie jest bez wad. Jeśli ilość katalizatora nałożonego na GDL nie może być precyzyjnie kontrolowana, zawiesina katalizatora może wniknąć do GDL, powodując, że niektóre katalizatory nie wykorzystują w pełni swojej wydajności, a wskaźnik wykorzystania może być nawet tak niski jak 20%, co znacznie zwiększa koszty produkcji MEA.

Ze względu na niespójność między powłoką katalizatora na GDL a systemem rozprężania PEM, interfejs między nimi jest podatny na rozwarstwianie podczas długotrwałej eksploatacji. Prowadzi to nie tylko do wzrostu wewnętrznej rezystancji styku ogniw paliwowych, ale także znacznie zmniejsza ogólną wydajność MEA, daleką od osiągnięcia idealnego poziomu. Proces przygotowania MEA oparty na strukturze GDE został zasadniczo wyeliminowany i niewiele osób zwraca na niego uwagę.

2. Trójwarstwowa elektroda membranowa CCM

Stosując metody takie jak powlekanie rolka do rolki, sitodruk i natrysk, zawiesina składająca się z katalizatora, Nafionu i odpowiedniego dyspergatora jest nakładana bezpośrednio po obu stronach membrany wymiany protonów w celu uzyskania MEA.

W porównaniu z metodą przygotowania MEA typu GDE, typ CCM ma lepszą wydajność, nie jest łatwy do odklejenia i zmniejsza rezystancję transferu między warstwą katalizatora a PEM, co jest korzystne dla poprawy dyfuzji i ruchu protonów w protonach. Warstwa katalizatora, tym samym promując warstwę katalityczną i PEM. Kontakt i transfer protonów między nimi zmniejszają rezystancję transferu protonów, tym samym znacznie poprawiając wydajność MEA. Badania nad MEA przesunęły się z typu GDE na typ CCM. Ponadto, ze względu na stosunkowo niskie obciążenie Pt w MEA typu CCM, ogólny koszt MEA jest obniżony, a wskaźnik wykorzystania znacznie poprawiony. Wadą MEA typu CCM jest to, że jest podatny na zalewanie wodą podczas pracy ogniw paliwowych. Głównym powodem jest brak środka hydrofobowego w katalitycznej warstwie MEA, mniej kanałów gazowych i stosunkowo wysoka rezystancja przenoszenia gazu i wody. Dlatego, aby zmniejszyć rezystancję przenoszenia gazu i wody, grubość warstwy katalizatora wynosi na ogół nie więcej niż 10 μ m.

Ze względu na doskonałą kompleksową wydajność, MEA typu CCM została skomercjalizowana w dziedzinie samochodowych ogniw paliwowych. Na przykład Toyota Mirai, Honda Clarity itp. Typ MEA CCM opracowany przez Wuhan University of Technology w Chinach został wyeksportowany do Plug Power w Stanach Zjednoczonych do użytku w wózkach widłowych z ogniwami paliwowymi. Typ MEA CCM opracowany przez Dalian Xinyuan Power został zastosowany w ciężarówkach, z obciążeniem metali szlachetnych na bazie platyny tak niskim jak 0,4 mgPt/cm2. Gęstość mocy osiąga 0,96 W/cm2. Jednocześnie firmy i uniwersytety, takie jak Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University i Dalian Institute of Chemical Physics, również rozwijają wysokowydajne MEA typu CCM. Zagraniczne firmy, takie jak Komu, Gore

3. Uporządkowana elektroda membranowa

Warstwa katalityczna MEA typu GDE i MEA typu CCM jest zmieszana z katalizatorem i roztworem elektrolitu w celu utworzenia zawiesiny katalizatora, która jest następnie powlekana. Wydajność jest bardzo niska i występuje znaczne zjawisko polaryzacji, co nie sprzyja rozładowaniu MEA przy wysokim prądzie. Ponadto obciążenie platyną w MEA jest stosunkowo wysokie. Rozwój wysokowydajnych, długowiecznych i tanich MEA stał się przedmiotem zainteresowania. Wskaźnik wykorzystania Pt w uporządkowanym MEA jest bardzo wysoki, skutecznie obniżając koszt MEA, jednocześnie osiągając wydajny transport protonów, elektronów, gazów, wody i innych substancji, tym samym poprawiając kompleksową wydajność PEMFC.

Uporządkowane elektrody membranowe obejmują uporządkowane elektrody membranowe oparte na nanorurkach węglowych, uporządkowane elektrody membranowe oparte na cienkich warstwach katalizatora i uporządkowane elektrody membranowe oparte na przewodnikach protonów.

Uporządkowana elektroda membranowa oparta na nanorurkach węglowych

Charakterystyka kraty grafitowej nanorurek węglowych jest odporna na wysokie potencjały, a ich interakcja i elastyczność z cząstkami Pt zwiększają aktywność katalityczną cząstek Pt. W ciągu ostatniej dekady opracowano cienkie warstwy oparte na pionowo ułożonych nanorurkach węglowych (VACNTs). Elektroda. Mechanizm pionowego rozmieszczenia zwiększa warstwę dyfuzji gazu, zdolność drenażu i wydajność wykorzystania Pt.

VACNT można podzielić na dwa typy: jednym z nich są VACNT złożone z zakrzywionych i rzadkich nanorurek węglowych; Innym typem są puste nanorurki węglowe złożone z prostych i gęstych nanorurek węglowych.

Uporządkowana elektroda membranowa oparta na cienkiej warstwie katalizatora

Uporządkowanie cienkich warstw katalizatora odnosi się głównie do nano uporządkowanych struktur Pt, takich jak nanorurki Pt, nanodruty Pt itp. Wśród nich reprezentantem uporządkowanej elektrody membranowej katalizatora jest NSTF, produkt komercyjny firmy 3M. W porównaniu z tradycyjnymi katalizatorami Pt/C, NSTF ma cztery główne cechy: nośnikiem katalizatora jest uporządkowany organiczny wąs; Katalizator tworzy cienką warstwę stopu na bazie Pt na organizmach podobnych do wąsów; W warstwie katalitycznej nie ma nośnika węglowego; Grubość warstwy katalizatora NSTF wynosi poniżej 1um.

Uporządkowana elektroda membranowa oparta na przewodniku protonów

Główną funkcją uporządkowanej elektrody membranowej przewodnika protonów jest wprowadzenie materiałów polimerowych z nanodrutami w celu promowania wydajnego transportu protonów w warstwie katalitycznej. Yu i inni. Struktury TiO2/Ti z matrycami nanorurek TiO2 (TNTs) zostały przygotowane na arkuszach tytanu, a następnie wyżarzane w atmosferze wodoru w celu uzyskania H-TNTs. Cząstki Pt Pd zostały przygotowane na powierzchni H-TNTs za pomocą metody uczulania i przemieszczania SnCl2, co zaowocowało ogniwem paliwowym o dużej gęstości mocy.

Instytut Nauk Jądrowych i Wydział Inżynierii Samochodowej na Uniwersytecie Tsinghua po raz pierwszy zsyntetyzowały nową uporządkowaną warstwę katalizatora w oparciu o funkcję szybkiego przewodzenia protonów nanodrutów Nafionu. Ma następujące cechy: Nanopręciki Nafionu są hodowane in situ na membranach wymiany protonów, a rezystancja styku interfejsu jest zredukowana do zera; Depozycja warstwy katalitycznej cząstek Pt na nanopałeczkach Nafionu, z funkcjami katalitycznymi i przewodzącymi elektrony; Nanopałeczki Nafionu mają szybką przewodność protonową.

Uporządkowane elektrody membranowe są niewątpliwie głównym kierunkiem technologii przygotowywania elektrod membranowych nowej generacji. Jednocześnie zmniejszając obciążenie pierwiastków grupy platynowców, należy dodatkowo rozważyć pięć aspektów: uporządkowane elektrody membranowe są wysoce wrażliwe na zanieczyszczenia; Rozszerzyć zakres roboczy elektrod membranowych poprzez optymalizację materiałów, charakteryzację i modelowanie; Wprowadzenie nanostruktur szybkich przewodników protonów do warstwy katalitycznej; Rozwój taniego procesu produkcji masowej; Dogłębne badanie interakcji i efektów synergicznych między membraną wymiany protonów elektrody membranowej, elektrokatalizatorem i warstwą dyfuzji gazu.

https://www.ultrasonic-metalwelding.com/sale-52164561-anionic-proton-exchange-membrane-ultrasonic-spraying-100khz.html

Zalety technologii przygotowywania elektrod membranowych i metody natrysku ultradźwiękowego:

(1) Optymalizując parametry, takie jak moc i częstotliwość dyszy ultradźwiękowej, rozpylona zawiesina katalizatora może mieć mały odbicie i być mniej podatna na rozpryski, tym samym poprawiając wskaźnik wykorzystania katalizatora;

(2) Pręt wibracyjny ultradźwiękowy silnie rozprasza cząstki katalizatora, a wtryskiwacz dyspersji ultradźwiękowej ma wtórny efekt mieszania na zawiesinę katalizatora, znacznie zmniejszając prawdopodobieństwo zanieczyszczenia chemicznego platyny i zmniejszonego obszaru aktywności reakcji;

(3) Łatwy w obsłudze, wysoce zautomatyzowany, odpowiedni do masowej produkcji elektrod membranowych.