По суті, паливний елемент — це пристрій, який безпосередньо перетворює хімічну енергію в електричну. Не потребує додаткової зарядки. Поки паливо та окислювач постійно поповнюються, він може продовжувати працювати та виробляти електроенергію. Паливо з добавками й окислювач вступають не в реакцію згоряння, а в електрохімічну реакцію між паливом і окислювачем для генерування електричного струму.
Тому така електрохімічна реакція супроводжується передачею заряду внаслідок хімічних реакцій. Електрони та іони завершують перенесення заряду різними шляхами реакції. Під час процесу реакції паливного елемента паливо та окислювач не можуть змішуватися, а надходять у паливний елемент окремо та реагують окремо на аноді та катоді батареї.
Паливо генерує електрони після електрохімічної реакції. Електрони течуть до іншого електрода через електрод і зовнішній контур, щоб реагувати з окислювачем. Після того як окислювач приймає електрони, він реагує та проводить іони через електроліт в акумуляторі, утворюючи схему для роботи електронів.
Основний блок звичайного паливного елемента складається з трьох основних компонентів: анода, катода та електроліту між двома електродами. Зазвичай як паливо використовується водень, а як окислювач – кисень. Паливо окислюється на аноді, а кисень відновлюється на катоді. Паливні елементи складаються з таких основних блоків, з’єднаних послідовно, щоб утворити більший акумуляторний блок, або так званий акумуляторний блок.
Як правило, окислювачем може бути кисень повітря, а іони водню та електрони, які використовуються як паливо, надходять з анода, а електроліт проводить іони водню. Після того як іони водню утворюються на аноді, вони досягають катода через електроліт. Після того, як електрони утворюються на аноді, вони потрапляють в електричні елементи, що використовуються через ланцюг поза акумулятором, а потім повертаються до катода акумулятора через інший кінець електричного кола. Коли електрони проходять через навантажений електричний прилад, електричний прилад може працювати, наприклад, для виробництва електроенергії, автомобілів, літаків і двигунів.
Між анодом і катодом знаходиться електроліт, який може бути використаний для проведення іонів. Загалом паливні елементи можна класифікувати на лужні паливні елементи, фосфорно-кислотні паливні елементи, карбонатні розплавлені солі паливні елементи, твердооксидні паливні елементи, паливні елементи з протонообмінною мембраною та прямі паливні елементи через різні іони, що проводяться в електроліті, або різні робочі температури. . Шість типів, включаючи паливні елементи на метанолі.
Швидкість електрохімічної реакції між паливом і окислювачем у паливному елементі дуже низька і повинна прискорюватися за допомогою каталізатора, тому потрібні анодний і катодний каталізатори. Беручи як приклад паливні елементи з полімерним електролітом, основний механізм генерації електроенергії походить від мембранного електродного вузла (MEA), який часто називають серцем паливного елемента. В основному група електродних мембран має п’ятишарову структуру з полімерною мембраною, яка проводить іони водню в центрі, анодним шаром каталізатора та катодним шаром каталізатора з обох сторін, а також крайнім газодифузійним шаром (часто поділяється на дифузійний шар паливного газу). і шар дифузії кисню).
Структура шару каталізатора досить складна і різноманітна. Оскільки тут відбуваються найважливіші електрохімічні зміни, якщо шар каталізатора погано спроектований або виготовлений, паливний елемент не зможе генерувати достатній струм, і ефективність буде знижена. Шар каталізатора затиснутий між полімерною мембраною та газодифузійним шаром. Метод виробництва полягає в однорідному змішуванні відповідної кількості каталізатора та розчину полімерної мембрани. Цей змішаний розчин називається суспензією каталізатора. Змішану суспензію можна наносити на газодифузійний шар або на полімерну мембрану. Однак полімерна мембрана легко вбирає розчинник у змішаній суспензії та деформується, що часто викликає труднощі у виробництві.
Тепер використовуйте шар кисневого каталізатора, щоб проілюструвати, як відбувається реакція. Коли кисень потрапляє в паливний елемент, його необхідно спочатку розсіяти, щоб рівномірно досягти шару каталізатора. Як правило, матеріалом, що утворює газодифузійний шар, є вугільна тканина або копіювальний папір, які мають бути графітизовані при високій температурі, щоб зробити їх провідними та підвищити стійкість до корозії. , оскільки вуглецеві матеріали під дією електричних полів легко піддаються корозії.
Крім того, газодифузійний шар також повинен бути гідрофобним. Якщо до газодифузійного шару додати політетрафторетилен (PTFE, також відомий як тефлон), завдяки гідрофобним властивостям тефлону водяна пара, що входить і виходить із групи електродної мембрани, не буде. Конденсація в газодифузійному шарі може запобігти утворенню конденсованих крапель води. від спричинення обструкції газодифузійного шару. З іншого боку, тефлон також виконує роль сполучного. Завдяки стабільності фторвуглецевої структури він не буде деконструюватися через атаку вільних радикалів, що утворюються під час потенційної роботи.
Реакційний газ досягає шару каталізатора після проходження через газодифузійний шар, і електрохімічні реакції відбуваються на поверхні металу каталізатора. Ще однією функцією газодифузійного шару є проведення електронів. Електрони, необхідні для реакції, використовують газодифузійний шар для входу та виходу, тому газодифузійний шар повинен бути здатним проводити електрони та мати високу провідність. Як правило, після додавання тефлону до газодифузійного шару провідність зменшується, тому для збільшення провідності слід додати вугільний порошок з високою провідністю.
Поверхня каталізатора повинна контактувати з електролітом (тобто протонопровідною мембраною), оскільки електрохімічна реакція відбувається на межі розділу між ними. Усі іони водню, необхідні для реакції, переносяться електролітом, тому поганий контакт між каталізатором і електролітом негативно вплине на хід реакції. Якщо каталізатор не контактує з електролітом, його функція зникне. Всі електрони, необхідні для реакції, входять і виходять через каталізатор. Однак погана провідність самого каталізатора або поганий контакт між частинками каталізатора також призведе до опору входу та виходу електронів. Усі вищевказані фактори призводять до збільшення опору в групі електродної мембрани та знижують вихідну потужність батареї.
При використанні в паливних елементах електродні каталізатори зазвичай повинні мати високу каталітичну активність, високу провідність, високу електрохімічну стабільність, стійкість до окислення або відновлення, низьку ціну та велику кількість джерел. Платина дорога, і її слід використовувати якомога менше. Однак занадто мало також вплине на хід реакції. Альтернативні каталізаторні матеріали також є одним із центрів поточних досліджень і розробок. Електродний каталізатор є найважливішим функціональним матеріалом у структурі електродної мембрани, і його основною функцією є каталізувати електрохімічну реакцію.
На аноді молекули водню окислюються до електронів і протонів. Якщо метанол подається безпосередньо, реакція буде складнішою, і вона повинна складатися з електродного каталізатора, який не буде зайнятий сильно адсорбованими продуктами реакції окислення метанолу на поверхні реакції, такими як сплави та оксиди для безперервного каталізації метанолу. і молекули води для виробництва електронів, протонів і вуглекислого газу.
Для катода потрібен каталізатор, який може відновлювати кисень. В якості електродних каталізаторів зазвичай використовують макроциклічні комплекси металів, здатні адсорбувати молекули кисню. Поверхнева адсорбція молекул кисню є каталітичною умовою електрохімічної реакції відновлення кисню. Для каталізатора необхідна полімерна сполучна, яка буде зв’язана в шарі каталізатора. Ця сполучна також може бути полімерним електролітом, який не тільки виконує функцію зв’язування каталізатора, але також є способом транспортування іонів водню. Беручи як приклад кисневий катод, коли реакція протікає на поверхні каталізатора, потрібна присутність кисню. Цей кисень не є газом, а киснем, розчиненим в електроліті, і іони водню також досягають поверхні каталізатора через електроліт, а електрони досягають поверхні каталізатора через контакт між газодифузійним шаром і шаром каталізатора. Серед них незамінні розчинений кисень, іони водню та електрони, і без одного з них реакція не може протікати.
З іншого боку, вода, що утворюється в результаті реакції, не може залишатися на поверхні каталізатора. Утворену воду необхідно негайно видалити, щоб реагенти могли знову осісти на поверхні каталізатора. Відхід продуктів також є одним з факторів, що впливає на швидкість реакції. один. Продуктом паливного елемента є вода, тому питання, як швидко видалити воду з паливного елемента, є важливим питанням.
Для паливних елементів з полімерним електролітом, які використовують водень як джерело живлення, ядро хорошої роботи паливних елементів вимагає наявності чотирьох шляхів, а саме каналів іонів водню, каналів розчиненого кисню, електронних каналів і водних каналів. Якщо ці шляхи неефективні, вони призведуть до зниження ефективності виробництва електроенергії. Тому виготовлення пакетів електродних мембран все ще залишається технічним процесом. Кожен виробник паливних елементів має власний унікальний метод виробництва цього ключового компонента.
Потужність паливного елемента визначається розміром групи електродної мембрани та кількістю груп електродної мембрани в акумуляторній батареї. Електродна мембрана є основним елементом паливного елемента з полімерним електролітом і ключовим компонентом енергетичних характеристик паливного елемента. За допомогою відповідної конструкції поля потоку, умов управління водними ресурсами та управління теплом можна сформувати паливні елементи для різних цілей.
Технічний опис газодифузійного шару
Основним матеріалом структури газодифузійного шару паливного елемента протонообмінної мембрани зазвичай є продукти з вуглецевого волокна (Carbon-Fiber), такі як копіювальний папір (Carbon Paper) і ткане волокно (Woven Fiber) або називається вуглецевою тканиною (Carbon Cloths), використання вуглецевого волокна як газу Перевагою матеріалу дифузійного шару є його висока пористість і висока електропровідність.
Найбільш часто використовуваною структурою газодифузійного шару паливних елементів є вуглецевий папір. Цей процес зазвичай називають процесом виготовлення паперу. Під час процесу властивості сировини, провідність і хімічна стабільність копіювального паперу також повинні бути покращені. Метод полягає у використанні паперу з вуглецевого волокна як основи, додаванні вуглецевих композитних матеріалів, змішуванні та термообробці. У процесі також можна додати відповідну проміжну сировину та створити той самий копіювальний папір із використаними характеристиками.
Перед етапом виготовлення копіювального паперу безперервні нитяні волокна необхідно розрізати на короткі сегменти волокна від 3 до 12 мм. Процес після формування сегментів коротких волокон поділяється на 1. Виготовлення паперу, 2. Просочення композитною смолою, 3. Формування за допомогою теплового пресу, 4. Карбонізацію та 5. Графітізацію.
Серед виробників копіювального паперу, який наразі можна використовувати в газодифузійних шарах паливних елементів, є TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy та інші компанії. Загальний метод виробництва мікропористого шару (MPL) полягає в тому, щоб спочатку використовувати ультразвуковий генератор для змішування та перемішування цих компонентів, і, нарешті, зробити рідку суспензію (чорнило), а потім використовувати технологію покриття (наприклад, метод розпилення, метод ракеля), метод трафаретного друку) Суспензія наноситься на поверхню копіювального паперу, а потім мікропористий шар може бути отриманий шляхом високотемпературного спікання. Виробники копіювального паперу також надають клієнтам готові вироби, покриті мікропористими шарами. Газодифузійні шари (GDL) відіграють багато ролей і функцій у паливних елементах, наприклад:
(1) Забезпечте канали реакційного газу (H2, O2).
(2) Забезпечте канал для виходу продуктів реакції (води, тепла) із шару каталізатора
(3) Забезпечують канали входу та виходу для електронів електрохімічної реакції
(4) Діє як структурна підтримка для шару каталізатора та тіла протонообмінної мембрани
З наведених вище характеристик видно, що газодифузійний шар (GDL) повинен мати такі властивості, як електропровідність, теплопровідність, пористість, повітропроникність і водночас гідрофільні/гідрофобні властивості. Наразі єдиними постачальниками матеріалів для газодифузійних шарів паливних елементів у світі є Toray, Ballard, Avcarb, SGL і Taiwan Carbon Energy. Однак ціна за одиницю дуже висока, і попит часто є дефіцитним. Тому, якщо є інноваційна технологія, це дозволяє зменшити витрати та досягти економічних результатів. Масштабне виробництво цього ключового матеріалу варте інвестицій у цю технологію.
Газодифузійний шар є основним компонентом PEMFC, а газодифузійний шар є важливим складовим матеріалом електрода. Зазвичай використовувані матеріали газодифузійного шару включають папір з вуглецевого волокна, тканий матеріал з вуглецевого волокна, нетканий матеріал і вуглецевий папір. Але деякі також використовують металеві матеріали, такі як плоский металевий губчастий металевий нікель.
Папір з вуглецевого волокна є газодифузійним шаром, який широко використовується в електродах. Для використання в PEMFC він має відповідати таким вимогам до продуктивності:
(1) Рівномірна пориста структура забезпечує відмінну повітропроникність;
(2) Низький питомий опір, що забезпечує високу електронну провідність;
(3) Структура компактна, а поверхня плоска, що зменшує контактний опір і покращує електропровідність;
(4) Він має певну механічну міцність, що зручно для виробництва електродів і забезпечує стабільність структури електрода при тривалих умовах експлуатації;
(5) Він має хімічну та термічну стабільність; низька вартість виробництва та високе значення CP.