Elektrody membranowe są podstawowym elementem ogniw paliwowych, które integrują transport i reakcje elektrochemiczne różnych materiałów, bezpośrednio określając ich wydajność, żywotność,i kosztów ogniw paliwowych membranowych wymiany protonówElektrody membranowe i płyty dwubiegunowe po obu stronach tworzą jeden ogniw paliwowy.i połączenie kilku pojedynczych ogniw może tworzyć stos ogniw paliwowych, aby spełnić różne wymagania mocy wyjściowejProjekt i optymalizacja struktury MEA, wybór materiału i optymalizacja procesu produkcyjnego zawsze były przedmiotem badań PEMFC.technologia elektrod membranowych przeszła kilka pokoleń innowacji, podzielone głównie na trzy rodzaje: metodę GDE prasowania gorącego, CCM trzy w jednej elektrodzie membranowej i elektrodę membranową zamówioną.
1. GDE Elektroda foliowa na gorąco wyciskana
Pierwsza generacja technologii przygotowywania MEA wykorzystywała metodę prasowania na gorąco do sprężania katody i anody GDL powlekanych CL po obu stronach PEM w celu uzyskania MEA, znanego jako struktura "GDE".
Proces przygotowywania GDE typu MEA jest w rzeczywistości stosunkowo prosty, dzięki jednorodnemu powłokaniu katalizatora na GDL.ale także inteligentnie chroni PEM przed deformacjąJeżeli nie można precyzyjnie kontrolować ilości katalizatora powleczonego na GDL, mieszanina katalizatora może przenikać do GDL,w wyniku czego niektóre katalizatory nie wykonują w pełni swojej skuteczności, a wskaźnik wykorzystania może być nawet tak niski, jak 20%, znacznie zwiększając koszty produkcji MEA.
Ze względu na niespójność powłoki katalizatora na GDL i układu rozszerzającego PEM, interfejs między nimi jest podatny na delaminację podczas długotrwałej pracy.To nie tylko prowadzi do zwiększenia wewnętrznego oporu kontaktu ogniw paliwowych, ale również znacznie zmniejsza ogólną wydajność MEA, daleka od osiągnięcia poziomu idealnego.i niewielu ludzi zwróciło na to uwagę.
2. CCM Trzy w jednej elektrody membranowej
Wykorzystując metody takie jak powłoka bezpośrednia z rolki na rolkę, drukowanie seryjne i powłoka natryskowa, nawoz składający się z katalizatora Nafion,i odpowiedni dyspergent jest bezpośrednio powleczony po obu stronach błony wymiany protonów w celu uzyskania MEA.
W porównaniu z metodą przygotowywania MEA typu GDE, metoda CCM ma lepszą wydajność, nie jest łatwa do odcięcia i zmniejsza opór przenoszenia między warstwą katalizatora a PEM,który jest korzystny dla poprawy dyfuzji i ruchu protonów w protonachKontakt i transfer protonów między nimi zmniejsza opór przenoszenia protonów,w ten sposób znacznie poprawić wyniki MEABadania nad MEA przeniosły się z typu GDE na typ CCM.całkowity koszt MEA jest zmniejszony, a wskaźnik wykorzystania znacznie poprawiony. Niepowodem CCM typu MEA jest to, że jest podatny na powodzie wody podczas pracy ogniw paliwowych.jest mniej kanałów gazowych, a rezystancja przenoszenia gazu i wody jest stosunkowo wysoka.grubość warstwy katalizatora jest na ogół nie większa niż 10 μm.
Ze względu na doskonałą wydajność kompleksową, typ CCM MEA został komercjalizowany w dziedzinie ogniw paliwowych samochodowych.CCM typu MEA opracowany przez Wuhan University of Technology w Chinach został wyeksportowany do Plug Power w Stanach Zjednoczonych do stosowania w wózkach widłowych z ogniwami paliwowymiW przypadku pojazdów ciężarowych stosowany jest system CCM typu MEA opracowany przez Dalian Xinyuan Power, z mocą ładowania metali szlachetnych o mocy platynowej wynoszącej 0,4 mgPt/cm2.W tym samym czasie, firmy i uniwersytety takie jak Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Szanghaj Jiao Tong University,i Dalian Institute of Chemical Physics również opracowują wysokiej wydajności CCM typu MEAsZagraniczne firmy takie jak Komu, Gore
3Zamówiłem elektrodę membranową.
Warstwa katalityczna typu GDE MEA i typu CCM MEA jest mieszana z katalizatorem i roztworem elektrolitu w celu utworzenia slurry katalizatora, która następnie jest powleczana.Wydajność jest bardzo niska i występuje znaczące zjawisko polaryzacji, co nie sprzyja wysokiej prądowej rozładowaniu MEA.i niskokosztowe MEA stały się przedmiotem uwagiPoziom wykorzystania Pt zamówionego MEA jest bardzo wysoki, skutecznie zmniejszając koszt MEA, jednocześnie osiągając efektywny transport protonów, elektronów, gazów, wody i innych substancji,w ten sposób zwiększenie ogólnej wydajności PEMFC.
Do elektrod membranowych zamówionych należą elektrody membranowe zamówione na bazie nanorurek węglowych, elektrody membranowe zamówione na bazie cienkich folii katalizatora,o pojemności nieprzekraczającej 10 W.
Elektrody membranowe na bazie nanorurek węglowych
Charakterystyka sieci grafitowej nanorurek węglowych jest odporna na wysoki potencjał, a ich interakcja i elastyczność z cząstkami Pt zwiększają aktywność katalityczną cząstek Pt.W ciągu ostatniej dekady, opracowano cienkie folie oparte na pionowo wyrównanych nanorurkach węglowych (VACNT).i efektywność wykorzystania Pt.
VACNT można podzielić na dwa rodzaje: jeden jest VACNT składający się z zakrzywionych i rzadkich nanorurek węglowych; inny typ to puste nanorurki węglowe składające się z prostych i gęstych nanorurek węglowych.
Elektroda membranowa zamówiona na bazie cieńkiej folii katalizatora
Zbiórka cieńkich folii katalizatora odnosi się głównie do Pt nanostruktur uporządkowanych, takich jak Pt nanorurki, Pt nanowires, itp. Wśród nich przedstawicielem katalizatora uporządkowane elektrody membranowe jest NSTF,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 węgla; grubość warstwy katalizatora NSTF jest mniejsza niż 1um.
Zamówiona elektroda membranowa oparta na przewodniku protonowym
Główną funkcją elektrody membranowej protonowo-przewodnikowej jest wprowadzenie materiałów polimerowych z nanoprzewodów w celu promowania efektywnego transportu protonów w warstwie katalitycznej.Na arkuszach tytanowych przygotowano struktury TiO2/Ti z układów nanorurek TiO2 (TNT)., a następnie grzanie w atmosferze wodorowej w celu uzyskania H-TNT. Na powierzchni H-TNT przygotowywano cząstki Pt Pd przy użyciu metod sensibilizacji i przemieszczania SnCl2,w wyniku którego powstaje ogniwo paliwowe o wysokiej gęstości mocy.
The Institute of Nuclear Science and the Department of Automotive Engineering at Tsinghua University have synthesized a novel ordered catalyst layer for the first time based on the fast proton conduction function of Nafion nanowiresMa następujące cechy: nanorody Nafion są uprawiane in situ na błonach wymiany protonów, a rezystancja kontaktu interfejsu jest zmniejszona do zera;Depozycja warstwy katalitycznej cząstek Pt na nanorodkach Nafion, z funkcjami katalitycznymi i przewodzącymi elektrony; nanorody Nafion mają szybką przewodność protonową.
W celu zmniejszenia obciążenia elementów grupy platynowej, wprowadza się nowy proces wytwarzania elektrod membranowych.pięć aspektów wymaga dalszego rozważenia: elektrody membranowe są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia; rozszerzyć zakres pracy elektrod membranowych poprzez optymalizację materiału, charakterystykę i modelowanie;Wprowadzenie nanostruktur szybkich przewodników protonowych do warstwy katalitycznej• rozwój procesów produkcji masowej o niskich kosztach; • dogłębne badanie interakcji i efektów synergistycznych między membranową elektrodą, protonowymienną membraną, elektrokatalyzatorem,i warstwy dyfuzyjnej gazu.
Zalety technologii przygotowywania elektrody membranowej i metody opryskiwania ultradźwiękowego:
(1) Poprzez optymalizację parametrów, takich jak moc i częstotliwość ultradźwiękowej dyszy, atomizowany katalizator może mieć niewielki odbiór i być mniej podatny na nadmierne opryskiwanie,w ten sposób zwiększa się wykorzystanie katalizatora;
(2) Pręt wibracyjny ultradźwiękowy rozprasza cząstki katalizatora, natomiast wtryskiwacz rozpraszania ultradźwiękowego ma wtórny wpływ na mieszanie mieszaniny katalizatora,znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo zanieczyszczenia chemicznego platyną i zmniejsza obszar aktywności reakcji;
(3) Łatwe w obsłudze, wysoce zautomatyzowane, odpowiednie do masowej produkcji elektrod membranowych.
Elektrody membranowe są podstawowym elementem ogniw paliwowych, które integrują transport i reakcje elektrochemiczne różnych materiałów, bezpośrednio określając ich wydajność, żywotność,i kosztów ogniw paliwowych membranowych wymiany protonówElektrody membranowe i płyty dwubiegunowe po obu stronach tworzą jeden ogniw paliwowy.i połączenie kilku pojedynczych ogniw może tworzyć stos ogniw paliwowych, aby spełnić różne wymagania mocy wyjściowejProjekt i optymalizacja struktury MEA, wybór materiału i optymalizacja procesu produkcyjnego zawsze były przedmiotem badań PEMFC.technologia elektrod membranowych przeszła kilka pokoleń innowacji, podzielone głównie na trzy rodzaje: metodę GDE prasowania gorącego, CCM trzy w jednej elektrodzie membranowej i elektrodę membranową zamówioną.
1. GDE Elektroda foliowa na gorąco wyciskana
Pierwsza generacja technologii przygotowywania MEA wykorzystywała metodę prasowania na gorąco do sprężania katody i anody GDL powlekanych CL po obu stronach PEM w celu uzyskania MEA, znanego jako struktura "GDE".
Proces przygotowywania GDE typu MEA jest w rzeczywistości stosunkowo prosty, dzięki jednorodnemu powłokaniu katalizatora na GDL.ale także inteligentnie chroni PEM przed deformacjąJeżeli nie można precyzyjnie kontrolować ilości katalizatora powleczonego na GDL, mieszanina katalizatora może przenikać do GDL,w wyniku czego niektóre katalizatory nie wykonują w pełni swojej skuteczności, a wskaźnik wykorzystania może być nawet tak niski, jak 20%, znacznie zwiększając koszty produkcji MEA.
Ze względu na niespójność powłoki katalizatora na GDL i układu rozszerzającego PEM, interfejs między nimi jest podatny na delaminację podczas długotrwałej pracy.To nie tylko prowadzi do zwiększenia wewnętrznego oporu kontaktu ogniw paliwowych, ale również znacznie zmniejsza ogólną wydajność MEA, daleka od osiągnięcia poziomu idealnego.i niewielu ludzi zwróciło na to uwagę.
2. CCM Trzy w jednej elektrody membranowej
Wykorzystując metody takie jak powłoka bezpośrednia z rolki na rolkę, drukowanie seryjne i powłoka natryskowa, nawoz składający się z katalizatora Nafion,i odpowiedni dyspergent jest bezpośrednio powleczony po obu stronach błony wymiany protonów w celu uzyskania MEA.
W porównaniu z metodą przygotowywania MEA typu GDE, metoda CCM ma lepszą wydajność, nie jest łatwa do odcięcia i zmniejsza opór przenoszenia między warstwą katalizatora a PEM,który jest korzystny dla poprawy dyfuzji i ruchu protonów w protonachKontakt i transfer protonów między nimi zmniejsza opór przenoszenia protonów,w ten sposób znacznie poprawić wyniki MEABadania nad MEA przeniosły się z typu GDE na typ CCM.całkowity koszt MEA jest zmniejszony, a wskaźnik wykorzystania znacznie poprawiony. Niepowodem CCM typu MEA jest to, że jest podatny na powodzie wody podczas pracy ogniw paliwowych.jest mniej kanałów gazowych, a rezystancja przenoszenia gazu i wody jest stosunkowo wysoka.grubość warstwy katalizatora jest na ogół nie większa niż 10 μm.
Ze względu na doskonałą wydajność kompleksową, typ CCM MEA został komercjalizowany w dziedzinie ogniw paliwowych samochodowych.CCM typu MEA opracowany przez Wuhan University of Technology w Chinach został wyeksportowany do Plug Power w Stanach Zjednoczonych do stosowania w wózkach widłowych z ogniwami paliwowymiW przypadku pojazdów ciężarowych stosowany jest system CCM typu MEA opracowany przez Dalian Xinyuan Power, z mocą ładowania metali szlachetnych o mocy platynowej wynoszącej 0,4 mgPt/cm2.W tym samym czasie, firmy i uniwersytety takie jak Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Szanghaj Jiao Tong University,i Dalian Institute of Chemical Physics również opracowują wysokiej wydajności CCM typu MEAsZagraniczne firmy takie jak Komu, Gore
3Zamówiłem elektrodę membranową.
Warstwa katalityczna typu GDE MEA i typu CCM MEA jest mieszana z katalizatorem i roztworem elektrolitu w celu utworzenia slurry katalizatora, która następnie jest powleczana.Wydajność jest bardzo niska i występuje znaczące zjawisko polaryzacji, co nie sprzyja wysokiej prądowej rozładowaniu MEA.i niskokosztowe MEA stały się przedmiotem uwagiPoziom wykorzystania Pt zamówionego MEA jest bardzo wysoki, skutecznie zmniejszając koszt MEA, jednocześnie osiągając efektywny transport protonów, elektronów, gazów, wody i innych substancji,w ten sposób zwiększenie ogólnej wydajności PEMFC.
Do elektrod membranowych zamówionych należą elektrody membranowe zamówione na bazie nanorurek węglowych, elektrody membranowe zamówione na bazie cienkich folii katalizatora,o pojemności nieprzekraczającej 10 W.
Elektrody membranowe na bazie nanorurek węglowych
Charakterystyka sieci grafitowej nanorurek węglowych jest odporna na wysoki potencjał, a ich interakcja i elastyczność z cząstkami Pt zwiększają aktywność katalityczną cząstek Pt.W ciągu ostatniej dekady, opracowano cienkie folie oparte na pionowo wyrównanych nanorurkach węglowych (VACNT).i efektywność wykorzystania Pt.
VACNT można podzielić na dwa rodzaje: jeden jest VACNT składający się z zakrzywionych i rzadkich nanorurek węglowych; inny typ to puste nanorurki węglowe składające się z prostych i gęstych nanorurek węglowych.
Elektroda membranowa zamówiona na bazie cieńkiej folii katalizatora
Zbiórka cieńkich folii katalizatora odnosi się głównie do Pt nanostruktur uporządkowanych, takich jak Pt nanorurki, Pt nanowires, itp. Wśród nich przedstawicielem katalizatora uporządkowane elektrody membranowe jest NSTF,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 węgla; grubość warstwy katalizatora NSTF jest mniejsza niż 1um.
Zamówiona elektroda membranowa oparta na przewodniku protonowym
Główną funkcją elektrody membranowej protonowo-przewodnikowej jest wprowadzenie materiałów polimerowych z nanoprzewodów w celu promowania efektywnego transportu protonów w warstwie katalitycznej.Na arkuszach tytanowych przygotowano struktury TiO2/Ti z układów nanorurek TiO2 (TNT)., a następnie grzanie w atmosferze wodorowej w celu uzyskania H-TNT. Na powierzchni H-TNT przygotowywano cząstki Pt Pd przy użyciu metod sensibilizacji i przemieszczania SnCl2,w wyniku którego powstaje ogniwo paliwowe o wysokiej gęstości mocy.
The Institute of Nuclear Science and the Department of Automotive Engineering at Tsinghua University have synthesized a novel ordered catalyst layer for the first time based on the fast proton conduction function of Nafion nanowiresMa następujące cechy: nanorody Nafion są uprawiane in situ na błonach wymiany protonów, a rezystancja kontaktu interfejsu jest zmniejszona do zera;Depozycja warstwy katalitycznej cząstek Pt na nanorodkach Nafion, z funkcjami katalitycznymi i przewodzącymi elektrony; nanorody Nafion mają szybką przewodność protonową.
W celu zmniejszenia obciążenia elementów grupy platynowej, wprowadza się nowy proces wytwarzania elektrod membranowych.pięć aspektów wymaga dalszego rozważenia: elektrody membranowe są bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia; rozszerzyć zakres pracy elektrod membranowych poprzez optymalizację materiału, charakterystykę i modelowanie;Wprowadzenie nanostruktur szybkich przewodników protonowych do warstwy katalitycznej• rozwój procesów produkcji masowej o niskich kosztach; • dogłębne badanie interakcji i efektów synergistycznych między membranową elektrodą, protonowymienną membraną, elektrokatalyzatorem,i warstwy dyfuzyjnej gazu.
Zalety technologii przygotowywania elektrody membranowej i metody opryskiwania ultradźwiękowego:
(1) Poprzez optymalizację parametrów, takich jak moc i częstotliwość ultradźwiękowej dyszy, atomizowany katalizator może mieć niewielki odbiór i być mniej podatny na nadmierne opryskiwanie,w ten sposób zwiększa się wykorzystanie katalizatora;
(2) Pręt wibracyjny ultradźwiękowy rozprasza cząstki katalizatora, natomiast wtryskiwacz rozpraszania ultradźwiękowego ma wtórny wpływ na mieszanie mieszaniny katalizatora,znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo zanieczyszczenia chemicznego platyną i zmniejsza obszar aktywności reakcji;
(3) Łatwe w obsłudze, wysoce zautomatyzowane, odpowiednie do masowej produkcji elektrod membranowych.
