Технология подготовки мембранных электродов ультразвуковым распылением

Мембранный электрод является основным компонентом топливных элементов, который объединяет транспорт и электрохимические реакции гетерогенных материалов, напрямую определяя производительность, срок службы и стоимость топливных элементов с протонно-обменной мембраной. Мембранный электрод и биполярные пластины с обеих сторон вместе образуют один топливный элемент, а объединение нескольких отдельных элементов может сформировать штабель топливных элементов для удовлетворения различных требований к выходной мощности. Разработка и оптимизация структуры MEA, выбор материалов и оптимизация производственного процесса всегда были в центре внимания исследований PEMFC. В процессе разработки PEMFC технология мембранных электродов претерпела несколько поколений инноваций, в основном разделенных на три типа: метод горячего прессования GDE, трехкомпонентный мембранный электрод CCM и упорядоченный мембранный электрод.

1. Мембранный электрод горячего прессования GDE

Технология подготовки MEA первого поколения использовала метод горячего прессования для сжатия катодных и анодных GDL, покрытых CL, с обеих сторон PEM для получения MEA, известной как структура "GDE".

Процесс подготовки MEA типа GDE действительно относительно прост, благодаря тому, что катализатор равномерно нанесен на GDL. Эта конструкция не только облегчает образование пор в MEA, но и умело защищает PEM от деформации. Однако этот процесс не безупречен. Если количество катализатора, нанесенного на GDL, не может быть точно контролируемо, суспензия катализатора может проникнуть в GDL, в результате чего некоторые катализаторы не полностью реализуют свою эффективность, а коэффициент использования может быть даже всего 20%, что значительно увеличивает стоимость производства MEA.

Из-за несоответствия между покрытием катализатора на GDL и системой расширения PEM, интерфейс между ними склонен к расслоению во время длительной работы. Это не только приводит к увеличению внутреннего контактного сопротивления топливных элементов, но и значительно снижает общую производительность MEA, далеко не достигая идеального уровня. Процесс подготовки MEA на основе структуры GDE в основном устранен, и мало кто обращает на это внимание.

2. Трехкомпонентный мембранный электрод CCM

Используя такие методы, как прямая намотка рулона на рулон, трафаретная печать и распыление, суспензия, состоящая из катализатора, Nafion и соответствующего диспергатора, наносится непосредственно на обе стороны протонно-обменной мембраны для получения MEA.

По сравнению с методом подготовки MEA типа GDE, тип CCM имеет лучшую производительность, нелегко отслаивается и снижает сопротивление переносу между слоем катализатора и PEM, что полезно для улучшения диффузии и перемещения протонов в протонах. Слой катализатора, тем самым способствуя слою катализатора и PEM. Контакт и перенос протонов между ними снижают сопротивление переносу протонов, тем самым значительно улучшая производительность MEA. Исследования MEA сместились от типа GDE к типу CCM. Кроме того, из-за относительно низкой загрузки Pt MEA типа CCM общая стоимость MEA снижается, а коэффициент использования значительно улучшается. Недостатком MEA типа CCM является то, что он склонен к затоплению водой во время работы топливных элементов. Основная причина заключается в том, что в слое катализатора MEA нет гидрофобного агента, каналов для газа меньше, а сопротивление переносу газа и воды относительно высокое. Поэтому, чтобы уменьшить сопротивление переносу газа и воды, толщина слоя катализатора обычно не превышает 10 мкм.

Благодаря своим превосходным комплексным характеристикам, MEA типа CCM была коммерциализирована в области автомобильных топливных элементов. Например, Toyota Mirai, Honda Clarity и т. д. MEA типа CCM, разработанная Уханьским технологическим университетом в Китае, была экспортирована в Plug Power в США для использования в топливных погрузчиках. MEA типа CCM, разработанная Dalian Xinyuan Power, была применена к грузовикам, с загрузкой драгоценного металла на основе платины всего 0,4 мгPt/см2. Плотность мощности достигает 0,96 Вт/см2. В то же время такие компании и университеты, как Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Шанхайский университет Цзяо Тун и Даляньский институт химической физики, также разрабатывают высокопроизводительные MEA типа CCM. Иностранные компании, такие как Komu, Gore

3. Упорядоченный мембранный электрод

Слой катализатора MEA типа GDE и MEA типа CCM смешивается с катализатором и раствором электролита для образования суспензии катализатора, которая затем наносится. Эффективность очень низкая, и наблюдается значительное явление поляризации, что не способствует разряду MEA при высоком токе. Кроме того, загрузка платины в MEA относительно высока. Разработка высокопроизводительных, долговечных и недорогих MEA стала центром внимания. Коэффициент использования Pt упорядоченной MEA очень высок, что эффективно снижает стоимость MEA, одновременно обеспечивая эффективный транспорт протонов, электронов, газов, воды и других веществ, тем самым улучшая комплексные характеристики PEMFC.

Упорядоченные мембранные электроды включают упорядоченные мембранные электроды на основе углеродных нанотрубок, упорядоченные мембранные электроды на основе тонких пленок катализатора и упорядоченные мембранные электроды на основе протонных проводников.

Упорядоченный мембранный электрод на основе углеродных нанотрубок

Характеристики графической решетки углеродных нанотрубок устойчивы к высоким потенциалам, а их взаимодействие и эластичность с частицами Pt усиливают каталитическую активность частиц Pt. За последнее десятилетие были разработаны тонкие пленки на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNTs). Электрод. Механизм вертикального расположения улучшает слой диффузии газа, дренажную способность и эффективность использования Pt.

VACNT можно разделить на два типа: один - VACNT, состоящий из изогнутых и разреженных углеродных нанотрубок; Другой тип - полые углеродные нанотрубки, состоящие из прямых и плотных углеродных нанотрубок.

Упорядоченный мембранный электрод на основе тонкой пленки катализатора

Упорядочение тонких пленок катализатора в основном относится к нано-упорядоченным структурам Pt, таким как нанотрубки Pt, нанопровода Pt и т. д. Среди них представителем упорядоченного мембранного электрода катализатора является NSTF, коммерческий продукт компании 3M. По сравнению с традиционными катализаторами Pt/C, NSTF имеет четыре основные характеристики: носителем катализатора является упорядоченный органический ус; Катализатор образует тонкую пленку на основе Pt на волосовидных организмах; В слое катализатора нет углеродного носителя; Толщина слоя катализатора NSTF составляет менее 1 мкм.

Упорядоченный мембранный электрод на основе протонного проводника

Основная функция упорядоченного мембранного электрода протонного проводника заключается во введении нанопроволочных полимерных материалов для содействия эффективному транспорту протонов в слое катализатора. Ю и другие. Структуры TiO2/Ti массивов нанотрубок TiO2 (TNTs) были получены на титановых листах, а затем отожжены в атмосфере водорода для получения H-TNTs. Частицы Pt Pd были получены на поверхности H-TNTs с использованием методов сенсибилизации и замещения SnCl2, что привело к топливному элементу высокой плотности мощности.

Институт ядерной науки и кафедра автомобилестроения Университета Цинхуа впервые синтезировали новый упорядоченный слой катализатора на основе функции быстрой протонной проводимости нанопроводов Nafion. Он имеет следующие характеристики: наностержни Nafion выращены in situ на протонно-обменных мембранах, и контактное сопротивление интерфейса снижено до нуля; Осаждение слоя катализатора из частиц Pt на наностержнях Nafion с функциями как катализа, так и электропроводности; Наностержни Nafion обладают быстрой протонной проводимостью.

Упорядоченные мембранные электроды, несомненно, являются основным направлением технологии подготовки мембранных электродов следующего поколения. При снижении загрузки элементов платиновой группы необходимо дополнительно рассмотреть пять аспектов: упорядоченные мембранные электроды очень чувствительны к примесям; Расширить рабочий диапазон мембранных электродов путем оптимизации материалов, характеризации и моделирования; Введение наноструктур быстрого протонного проводника в слой катализатора; Разработка недорогого процесса массового производства; Углубленное изучение взаимодействий и синергетических эффектов между протонно-обменной мембраной мембранного электрода, электрокатализатором и слоем диффузии газа.

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

Преимущества технологии подготовки мембранных электродов и метода ультразвукового распыления:

(1) Оптимизируя такие параметры, как мощность и частота ультразвукового сопла, распыленная суспензия катализатора может иметь небольшую отдачу и быть менее подверженной перераспылению, тем самым улучшая коэффициент использования катализатора;

(2) Ультразвуковой вибрационный стержень сильно диспергирует частицы катализатора, а ультразвуковой дисперсионный инжектор оказывает вторительное перемешивающее воздействие на суспензию катализатора, значительно снижая вероятность химического загрязнения платины и уменьшения площади реакции;

(3) Простота в эксплуатации, высокая автоматизация, подходит для массового производства мембранных электродов.