Technologie voor het bereiden van ultrasoonsproei-membraanelektroden

De membraanelektrode is de kerncomponent van brandstofcellen, die het transport en de elektrochemische reacties van heterogene materialen integreert, en direct de prestaties, levensduur en kosten van protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen bepaalt. De membraanelektrode en de bipolaire platen aan beide zijden vormen samen een enkele brandstofcel, en de combinatie van meerdere enkele cellen kan een brandstofcelstapel vormen om aan verschillende vermogensvereisten te voldoen. Het ontwerp en de optimalisatie van de MEA-structuur, de materiaalkeuze en de optimalisatie van het productieproces zijn altijd de focus geweest van PEMFC-onderzoek. In het ontwikkelingsproces van PEMFC heeft de membraanelektrodetechnologie verschillende generaties innovatie ondergaan, voornamelijk verdeeld in drie typen: GDE-persmethode, CCM-drie-in-één-membraanelektrode en geordende membraanelektrode.

1. GDE Warmgeperste Film Elektrode

De eerste generatie MEA-bereidingstechnologie gebruikte een warmtepersmethode om de kathode en anode GDL's, bedekt met CL, aan beide zijden van PEM samen te persen om MEA te verkrijgen, bekend als de "GDE"-structuur.

Het bereidingsproces van het GDE-type MEA is inderdaad relatief eenvoudig, dankzij de katalysator die uniform op de GDL is aangebracht. Dit ontwerp vergemakkelijkt niet alleen de vorming van poriën in MEA, maar beschermt ook op slimme wijze PEM tegen vervorming. Dit proces is echter niet foutloos. Als de hoeveelheid katalysator die op de GDL is aangebracht niet nauwkeurig kan worden gecontroleerd, kan de katalysatorslurry in de GDL doordringen, waardoor sommige katalysatoren hun efficiëntie niet volledig benutten, en de benuttingsgraad kan zelfs zo laag zijn als 20%, wat de productiekosten van MEA aanzienlijk verhoogt.

Vanwege de inconsistentie tussen de katalysatorcoating op GDL en het expansiesysteem van PEM, is de interface tussen de twee gevoelig voor delaminatie tijdens langdurig gebruik. Dit leidt niet alleen tot een toename van de interne contactweerstand van brandstofcellen, maar vermindert ook de algehele prestaties van MEA aanzienlijk, verre van het ideale niveau te bereiken. Het bereidingsproces van MEA op basis van de GDE-structuur is in principe geëlimineerd en er is weinig aandacht aan besteed.

2. CCM Drie-in-één Membraanelektrode

Door methoden te gebruiken zoals roll-to-roll direct coaten, zeefdrukken en spuitcoaten, wordt een slurry bestaande uit katalysator, Nafion en een geschikt dispergeermiddel direct aan beide zijden van het protonenuitwisselingsmembraan aangebracht om MEA te verkrijgen.

Vergeleken met de GDE-type MEA-bereidingsmethode heeft het CCM-type betere prestaties, is het niet gemakkelijk om af te pellen en vermindert het de overdrachtsweerstand tussen de katalysatorlaag en PEM, wat gunstig is voor het verbeteren van de diffusie en beweging van protonen in protonen. Katalysatorlaag, waardoor de katalytische laag en PEM worden bevorderd. Het contact en de overdracht van protonen tussen hen verminderen de weerstand van protonentransport, waardoor de prestaties van MEA aanzienlijk worden verbeterd. Het onderzoek naar MEA is verschoven van het GDE-type naar het CCM-type. Bovendien, vanwege de relatief lage Pt-belading van CCM-type MEA, worden de totale kosten van MEA verlaagd en wordt de benuttingsgraad aanzienlijk verbeterd. Het nadeel van CCM-type MEA is dat het gevoelig is voor wateroverstroming tijdens de werking van brandstofcellen. De belangrijkste reden is dat er geen hydrofoob middel in de MEA-katalytische laag zit, er minder gaskanalen zijn en de transmissieweerstand van gas en water relatief hoog is. Daarom, om de transmissieweerstand van gas en water te verminderen, is de dikte van de katalysatorlaag over het algemeen niet groter dan 10 μm.

Vanwege de uitstekende uitgebreide prestaties is CCM-type MEA gecommercialiseerd op het gebied van automobiele brandstofcellen. Bijvoorbeeld Toyota Mirai, Honda Clarity, etc. De CCM-type MEA ontwikkeld door de Wuhan University of Technology in China is geëxporteerd naar Plug Power in de Verenigde Staten voor gebruik in brandstofcelheftrucks. De CCM-type MEA ontwikkeld door Dalian Xinyuan Power is toegepast op vrachtwagens, met een platina-gebaseerde edelmetaalbelading van slechts 0,4 mgPt/cm2. De vermogensdichtheid bereikt 0,96 W/cm2. Tegelijkertijd ontwikkelen bedrijven en universiteiten zoals Kunshan Sunshine, Wuhan Himalaya, Suzhou Qingdong, Shanghai Jiao Tong University en Dalian Institute of Chemical Physics ook hoogwaardige CCM-type MEA's. Buitenlandse bedrijven zoals Komu, Gore

3. Geordende Membraanelektrode

De katalytische laag van GDE-type MEA en CCM-type MEA wordt gemengd met katalysator en elektrolytoplossing om een katalysatorslurry te vormen, die vervolgens wordt aangebracht. De efficiëntie is erg laag en er is een significant polarisatieverschijnsel, wat niet bevorderlijk is voor de hoge stroomafvoer van MEA. Bovendien is de platina-belading in MEA relatief hoog. De ontwikkeling van hoogwaardige, duurzame en goedkope MEA's is een focus van aandacht geworden. De Pt-benuttingsgraad van geordende MEA is zeer hoog, waardoor de kosten van MEA effectief worden verlaagd, terwijl efficiënt transport van protonen, elektronen, gassen, water en andere stoffen wordt bereikt, waardoor de uitgebreide prestaties van PEMFC worden verbeterd.

Geordende membraanelektroden omvatten geordende membraanelektroden op basis van koolstofnanobuisjes, geordende membraanelektroden op basis van katalysator-dunne films en geordende membraanelektroden op basis van protongeleiders.

Op Koolstofnanobuisjes Gebaseerde Geordende Membraanelektrode

De grafietroosterkenmerken van koolstofnanobuisjes zijn bestand tegen hoge potentialen en hun interactie en elasticiteit met Pt-deeltjes versterken de katalytische activiteit van Pt-deeltjes. In de afgelopen tien jaar zijn dunne films op basis van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes (VACNT's) ontwikkeld. Elektrode. Het verticale rangschikkingsmechanisme verbetert de gasdiffusielaag, de afvoercapaciteit en de Pt-benuttingsgraad.

VACNT kan worden onderverdeeld in twee typen: één is VACNT bestaande uit gebogen en schaarse koolstofnanobuisjes; Een ander type is holle koolstofnanobuisjes bestaande uit rechte en dichte koolstofnanobuisjes.

Geordende Membraanelektrode Op Basis Van Katalysator-Dunne Film

De ordening van katalysator-dunne films verwijst voornamelijk naar Pt-nano-geordende structuren, zoals Pt-nanobuisjes, Pt-nanodraden, enz. Daaronder is de vertegenwoordiger van de katalysator-geordende membraanelektrode NSTF, een commercieel product van 3M Company. Vergeleken met traditionele Pt/C-katalysatoren heeft NSTF vier belangrijke kenmerken: de katalysatordrager is een geordende organische whisker; Katalysator vormt Pt-gebaseerde legering-dunne film op whisker-achtige organismen; Er is geen koolstofdrager in de katalytische laag; De dikte van de NSTF-katalysatorlaag is minder dan 1um.

Geordende Membraanelektrode Op Basis Van Protongeleider

De belangrijkste functie van protongeleider-geordende membraanelektrode is het introduceren van nanodraadpolymeermaterialen om efficiënt protonentransport in de katalytische laag te bevorderen. Yu en anderen. TiO2/Ti-structuren van TiO2-nanobuisjesarrays (TNT's) werden bereid op titaniumplaten, gevolgd door uitgloeien in een waterstofatmosfeer om H-TNT's te verkrijgen. Pt Pd-deeltjes werden bereid op het oppervlak van H-TNT's met behulp van SnCl2-sensibilisatie- en verplaatsingsmethoden, wat resulteerde in een brandstofcel met een hoog vermogensdichtheid.

Het Institute of Nuclear Science en de Department of Automotive Engineering aan de Tsinghua University hebben voor het eerst een nieuwe geordende katalysatorlaag gesynthetiseerd op basis van de snelle protonengeleidingsfunctie van Nafion-nanodraden. Het heeft de volgende kenmerken: Nafion-nanostaafjes worden in situ gekweekt op protonenuitwisselingsmembranen en de interfacecontactweerstand wordt teruggebracht tot nul; Afzetting van Pt-deeltjeskatalytische laag op Nafion-nanostaafjes, met zowel katalytische als elektronengeleidende functies; Nafion-nanostaafjes hebben een snelle protonengeleidbaarheid.

Geordende membraanelektroden zijn ongetwijfeld de belangrijkste richting van de volgende generatie membraanelektrode-bereidingstechnologie. Terwijl de belading van platina-groepselementen wordt verminderd, moeten vijf aspecten verder worden overwogen: geordende membraanelektroden zijn zeer gevoelig voor onzuiverheden; Breid het werkbereik van membraanelektroden uit door materiaaloptimalisatie, karakterisering en modellering; Introductie van snelle protongeleider-nanostructuren in de katalytische laag; Ontwikkeling van een goedkoop massaproductieproces; Diepgaande studie van de interacties en synergetische effecten tussen membraanelektrode-protonenuitwisselingsmembraan, elektro-katalysator en gasdiffusielaag.

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

Voordelen van Membraanelektrode-bereidingstechnologie en ultrasone spuitmethode:

(1) Door parameters zoals ultrasone sproeikopvermogen en frequentie te optimaliseren, kan de vernevelde katalysatorslurry een kleine terugslag hebben en minder gevoelig zijn voor overspray, waardoor de benuttingsgraad van de katalysator wordt verbeterd;

(2) De ultrasone trillingsstaaf dispergeert de katalysatordeeltjes in hoge mate en de ultrasone dispersie-injector heeft een secundair roereffect op de katalysatorslurry, waardoor de kans op chemische platinaverontreiniging en verminderde reactieactiviteit aanzienlijk wordt verminderd;

(3) Eenvoudig te bedienen, sterk geautomatiseerd, geschikt voor massaproductie van membraanelektroden.